Теория всего

Во-первых, он понял, что лунные затмения вызваны прохождением Земли между Солнцем и Луной. Тень Земли на Луне – всегда круглая, а это возможно, только если Земля имеет сферическую форму.

У древних греков был еще и третий аргумент в пользу того, что Земля должна иметь форму шара: иначе почему на горизонте сначала появляются паруса приближающегося корабля и только потом становится виден его корпус?

В нем Ньютон не только предложил теорию движения тел в пространстве и времени, но также разработал математический аппарат для анализа этого движения. Кроме того, он сформулировал закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, которая тем больше, чем больше массы тел и чем ближе друг к другу они расположены.

Затем Ньютон показал, что, согласно его закону, гравитация заставляет Луну двигаться по эллиптической орбите вокруг Земли, а Землю и другие планеты – следовать по эллиптическим траекториям вокруг Солнца.

Наблюдения Хаббла свидетельствовали о том, что был момент, называемый Большим взрывом, когда Вселенная была бесконечно мала и, значит, не могла повлиять на то, что происходит в настоящее время. А тем, что не имеет никаких наблюдательных последствий, можно пренебречь. Можно сказать, что время началось в момент Большого взрыва – то есть мы не можем определить, что было до него. Необходимо подчеркнуть, что этот момент начала времени существенно отличается от всего, что рассматривалось прежде. В неизменной Вселенной начало времени – это нечто, что должно быть установлено извне. Нет никакой физической необходимости существования такого начала. Можно представить, что Бог сотворил Вселенную практически в любой момент времени в прошлом. С другой стороны, если Вселенная расширяется, то могут быть физические причины существования момента начала.

Мы можем определить расстояния до ближайших звезд, наблюдая изменение их положений на небе по мере обращения Земли вокруг Солнца. Но другие галактики находятся так далеко, что в отличие от ближайших звезд кажутся неподвижными. Поэтому Хабблу пришлось использовать косвенные методы измерения расстояний. Видимый блеск звезды зависит от двух факторов – ее светимости и расстояния от нас. Для ближайших звезд мы можем измерить видимый блеск и расстояние, что позволяет рассчитать их светимость. И наоборот, если бы мы знали светимость звезд из других галактик, мы могли бы вычислить расстояния до них, измерив их видимый блеск. Хаббл утверждал, что существуют определенные типы звезд, всегда имеющие одинаковую светимость (если удается ее измерить благодаря тому, что эти звезды находятся достаточно близко от нас). Следовательно, если мы найдем такие звезды в другой галактике, мы можем предположить, что они имеют такую же светимость. Таким образом, мы могли бы вычислить расстояние до этой галактики. Если расстояния, рассчитанные для множества звезд из одной и той же галактики, совпадают, то мы можем быть вполне уверены в полученных результатах. Таким способом Эдвин Хаббл вычислил расстояния до девяти разных галактик.

Мы можем определить расстояния до ближайших звезд, наблюдая изменение их положений на небе по мере обращения Земли вокруг Солнца.

Звезды находятся так далеко от нас, что кажутся всего лишь светящимися точками. Мы не можем определить их размер или форму. Как же нам различать разные типы звезд? Для подавляющего большинства звезд наблюдению поддается только одна характеристика – цвет испускаемого ею света. Ньютон открыл, что при прохождении через призму солнечный свет разделяется на цветовые компоненты – спектр, – как в радуге. Наведя телескоп на конкретную звезду или галактику, можно наблюдать спектр света, идущего от этого объекта. Как же нам различать разные типы звезд? Для подавляющего большинства звезд наблюдению поддается только одна характеристика – цвет испускаемого ею света. Спектры звезд отличаются, но относительная яркость разных цветов спектра всегда соответствует той, которая наблюдается в свечении сильно раскаленных объектов. Следовательно, по спектру звезды мы можем оценить ее температуру. Более того, мы видим, что некоторые специфические цвета в спектре звезд отсутствуют, причем у разных звезд отсутствуют разные цвета. Мы знаем, что каждый химический элемент поглощает характерный только для него набор специфических цветов. Таким образом, сопоставляя эти цвета с теми, которые отсутствуют в спектре звезды, мы можем определить, какие химические элементы содержатся в атмосфере звезды. В 1920-х годах, когда астрономы начали изучать спектры звезд из других галактик, они обнаружили удивительный факт: у этих звезд наблюдается такой же характерный набор отсутствующих спектральных линий, как и у звезд нашей Галактики, но эти линии смещены на одинаковую величину в сторону красной области спектра. Единственное разумное объяснение заключалось в том, что галактики удаляются от нас и частота излучаемых ими световых волн уменьшается вследствие эффекта Доплера (это явление называют красным смещением). Прислушайтесь к звуку автомобиля на дороге. Когда автомобиль приближается, звук его двигателя кажется выше, что соответствует более высокой частоте звуковых волн; а когда он проехал мимо и удаляется, звук двигателя кажется более низким. То же самое происходит и со световыми (или радиальными) волнами. На самом деле с помощью эффекта Доплера полиция измеряет скорость автомобилей по изменению частоты отраженного радиосигнала.

После того как Хаббл доказал существование других галактик, он занялся составлением каталога расстояний до них и наблюдением их спектров. В то время большинство ученых полагали, что галактики движутся достаточно хаотично, и поэтому надеялись найти примерно одинаковое число спектров, смещенных в синюю и красную область. Когда оказалось, что все галактики имеют красное смещение, это стало сенсацией. Получается, что все галактики удаляются от нас. Еще более удивительным был результат, опубликованный Хабблом в 1929 г.: даже величина красного смещения галактики не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию до нее. Другими словами, чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. А это означало, что Вселенная не может быть стационарной, как думали раньше. В действительности она расширяется. Расстояние между галактиками все время растет.

Им было известно, что если источник шума находится в атмосфере, то шум будет сильнее, когда приемник направлен не вертикально вверх, поскольку под углом к вертикали толщина атмосферы выше.

заинтересовались микроволновым излучением. Они работали над гипотезой Джорджа Гамова (в прошлом – студента Александра Фридмана) о том, что Вселенная на ранних стадиях своей эволюции была очень плотной и горячей, раскаленной добела. Дик и Пиблс утверждали, что мы все еще можем наблюдать это свечение, поскольку свет из самых далеких уголков ранней Вселенной только-только достигает нас сейчас. Однако из-за расширения Вселенной этот свет должен иметь очень большое красное смещение и должен восприниматься нами как микроволновое излучение.

В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Эта ситуация напоминает непрерывно надуваемый воздушный шарик, на котором нарисовано множество пятнышек. При надувании шарика расстояние между любыми двумя пятнышками увеличивается, но ни одно из них нельзя назвать центром расширения. Более того, чем больше расстояние между пятнышками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Так же и в модели Фридмана скорость разбегания любых двух галактик пропорциональна расстоянию между ними. Следовательно, величина красного смещения галактики должна быть прямо пропорциональна ее удаленности от нас, что и обнаружил Хаббл.

напоминает

мы можем измерить их лишь косвенно. Поэтому мы знаем только то, что Вселенная расширяется на 5–10 % за каждый миллиард лет.

Мы можем определить современную скорость расширения Вселенной, измерив скорости, с которыми другие галактики удаляются от нас, с помощью эффекта Доплера.

Таким образом, современные наблюдения дают основания предполагать, что Вселенная будет расширяться вечно.

В тот момент, который мы называем Большим взрывом, плотность Вселенной и кривизна пространства-времени были бесконечными. Это означает, что общая теория относительности, на основе которой построены решения Фридмана, предсказывает существование во Вселенной точки сингулярности. Все научные теории основываются на предположении о том, что пространство-время является гладким и почти плоским, то есть все эти теории теряют силу в сингулярности Большого взрыва, когда кривизна пространства-времени бесконечна. Это означает, что даже если до Большого взрыва и происходили какие-то события, их нельзя использовать для определения того, что случится после него, поскольку в момент Большого взрыва предсказуемость нарушается. Соответственно, если нам известно только то, что произошло после Большого взрыва, мы не можем определить, что происходило до него. Применительно к нам события до Большого взрыва не имеют никаких последствий, поэтому не могут быть частью научной модели Вселенной. Таким образом, мы должны исключить их из модели и сказать, что началом времени является момент Большого взрыва.

В реальной Вселенной галактики не просто удаляются друг от друга по прямой – их скорости имеют небольшую поперечную компоненту.

Он использовал поведение световых конусов в общей теории относительности и тот факт, что гравитация всегда вызывает притяжение, чтобы показать, что звезда, испытывающая коллапс под действием собственной гравитации, заключена в область, границы которой в итоге сжимаются до нулевого размера. Это означает, что все вещество звезды окажется в области нулевого объема, так что плотность вещества и кривизна пространства-времени становятся бесконечными.

В одной из них говорилось, что свет состоит из частиц, а в другой – из волн. В настоящее время мы знаем, что верны обе теории.

В 1783 г. кембриджский преподаватель Джон Мичелл опубликовал в журнале «Философские труды Лондонского королевского общества» статью, посвященную этой гипотезе. В этой статье он обратил внимание на то, что достаточно массивная и компактная звезда должна обладать настолько сильным гравитационным полем, что свет не сможет его преодолеть. Свет, излучаемый с поверхности звезды, не сможет преодолеть гравитационное притяжение звезды и удалиться от нее на значительное расстояние. Мичелл предположил, что таких звезд может быть много. Мы не можем их увидеть, поскольку их свет не достигает нас, однако мы можем «почувствовать» их гравитационное притяжение. Сейчас мы называем такие объекты черными дырами, и это название очень точно отражает их суть, поскольку это черные пустоты в космическом пространстве.

Чтобы понять, как образуется черная дыра, необходимо разобраться в жизненном цикле звезды. Звезда образуется, когда большое количество газа, преимущественно водорода, начинает сжиматься под действием собственной гравитации. По мере сжатия атомы газа все чаще сталкиваются друг с другом и приобретают все большую скорость – газ нагревается. Со временем газ нагреется до такой температуры, что атомы водорода при столкновении не будут разлетаться в разные стороны, а начнут сливаться, образуя атомы гелия. Именно тепло, которое выделяется во время этой реакции, напоминающей контролируемый взрыв водородной бомбы, и заставляет светиться звезды. Этот дополнительный нагрев ведет также к увеличению давления газа до тех пор, пока оно не уравновесит гравитационное притяжение – тогда газ прекратит сжиматься. Нечто подобное происходит с воздушным шариком: давление воздуха, находящегося внутри него, стремится его растянуть, а силы упругости резиновой оболочки стремятся сделать его меньше. В таком устойчивом состоянии, когда воздействие тепла, выделяющегося при ядерных реакциях, уравновешивается силой гравитации, звезды могут пребывать длительное время. Однако со временем у звезды закончится водород и другое ядерное топливо. И, как ни парадоксально, чем больше топлива изначально было у звезды, тем быстрее оно закончится. Дело в том, что чем массивнее звезда, тем больше тепла ей требуется для противодействия гравитации. А чем она горячее, тем быстрее она израсходует свое топливо. Нашему Солнцу, по-видимому, хватит топлива еще примерно на пять миллиардов лет, но более массивные звезды могут израсходовать свое топливо всего за один миллиард лет, что гораздо меньше возраста Вселенной. Когда у звезды кончается топливо, она начинает остывать и сжиматься. Что может произойти потом, начали понимать лишь в конце 1920-х годов.

Чем больше топлива было у звезды изначально, тем быстрее оно закончится. Когда у звезды кончается топливо, она начинает остывать и сжиматься.

Его идея заключалась в следующем: когда размер звезды уменьшается, расстояние между частицами вещества сокращается. Но принцип запрета Паули гласит, что две частицы вещества не могут занимать одно и то же положение в пространстве и при этом иметь одинаковые скорости. Следовательно, скорости этих частиц должны существенно различаться. Это заставляет частицы разлетаться, что приводит к расширению звезды. Таким образом, звезда может сохранять постоянный радиус благодаря равновесию между притяжением, вызванным гравитацией, и отталкиванием, обусловленным принципом запрета, подобно тому как на предыдущих этапах эволюции звезды гравитация уравновешивалась нагревом.

Когда звезда с массой порядка массы Солнца приближается к концу своего существования, ее размер увеличивается и она превращается в красный гигант. Стадия красного гиганта заканчивается, когда звезда сбрасывает свои внешние оболочки в космос и вокруг нее образуется слабо светящаяся туманность. Ядро звезды, оставшееся в центре, посылает поток ультрафиолетового излучения (УФ) в окружающий газ. Далеко за пределами основного тела туманности можно разглядеть еще более тусклые клочки газа, потерянные звездой в начале процесса сброса внешних оболочек. На месте нашего Солнца тоже может когда-нибудь образоваться подобная туманность, но в течение ближайших 5 млрд лет этого не произойдет. Облако газа будет расширяться, удаляясь от звезды со скоростью несколько десятков километров в секунду, и через несколько десятков тысяч лет растворится в межзвездном пространстве. После этого «тлеющий уголек» звезды, расположенный в центре, будет постепенно остывать в течение миллиардов лет в виде крошечного белого карлика и со временем погаснет.

Однако Чандрасекар понимал, что отталкивание, обусловленное принципом запрета, имеет свой предел. Согласно теории относительности, максимальная разность скоростей частиц вещества звезды не может превышать скорость света. Это означает, что, когда плотность звезды достигает определенного значения, отталкивание, связанное с принципом запрета, становится слабее гравитационного притяжения. Чандрасекар рассчитал, что холодная звезда, масса которой больше порядка полутора масс Солнца, не может сопротивляться собственной гравитации. Эта масса получила название предел Чандрасекара. Чандрасекар рассчитал, что холодная звезда, масса которой больше порядка полутора масс Солнца, не может сопротивляться собственной гравитации. Эта масса получила название предел Чандрасекара. Этот вывод имеет огромное значение для судьбы массивных звезд. Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, в какой-то момент она может перестать сжиматься и перейти в возможную финальную фазу, то есть стать белым карликом с радиусом в несколько тысяч километров и плотностью порядка сотен тонн в кубическом сантиметре. Существование белого карлика поддерживается благодаря отталкиванию между электронами вещества, обусловленному принципом запрета. Мы наблюдаем множество таких белых карликов. Одним из первых открытых белых карликов стала звезда, вращающаяся вокруг Сириуса – самой яркой звезды ночного неба. Ученые также понимали, что возможна еще одна финальная стадия эволюции звезды с массой, не превышающей порядка полутора масс Солнца, но имеющей более скромные размеры по сравнению с белым карликом. Существование этих звезд могло бы поддерживаться отталкиванием, обусловленным принципом Паули, но не между электронами, а между протонами и нейтронами. Такие звезды стали называть нейтронными. Их радиус должен составлять около пятнадцати километров, а плотность – порядка сотен миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Если масса звезды меньше предела Чандрасекара, в какой-то момент она может перестать сжиматься и перейти в возможную финальную фазу, то есть стать белым карликом. Мы наблюдаем такие белые карлики в нашей Галактике Млечный Путь. Эти небольшие звезды, расположенные в шаровом скоплении M4, имеют возраст порядка 12–13 млрд лет. Добавив 1 млрд лет, ушедших на образование скопления после Большого взрыва, астрономы вычислили, что возраст белых карликов согласуется с предыдущими оценками возраста Вселенной – от 13 до 14 млрд лет.

В итоге, когда звезда сжимается до определенного критического радиуса, гравитационное поле на ее поверхности становится настолько сильным, что отклонение световых конусов достигает той степени, которая уже не позволяет свету ускользнуть от звезды. В соответствии с теорией относительности ничто не может двигаться быстрее света. Таким образом, если даже свет не может ускользнуть от звезды, значит, и ничто другое не может. Все притягивается обратно гравитационным полем. Итак, существует совокупность событий, область пространства-времени, из которой невозможно выбраться, чтобы достичь удаленного наблюдателя. Эту область мы теперь и называем черной дырой, а ее границу – горизонтом событий. Он совпадает с траекториями световых лучей, которые не могут вырваться из черной дыры.

любая невращающаяся черная дыра должна иметь идеально круглую или сферическую форму.

Массу каждой черной дыры астрономы определяли путем измерения параметров движения звезд вокруг нее. Чем меньше расстояние между звездами и черной дырой, тем выше их скорость. Астрономы открыли поразительную связь между массой черной дыры и средней скоростью движения звезд в центральном балдже галактики. Чем быстрее движутся звезды, тем массивнее черная дыра.

эти объекты, получившие название «пульсары», представляют собой всего лишь вращающиеся нейтронные звезды. Они испускают импульсы радиоволн из-за сложного взаимодействия их магнитных полей и окружающей материи.

Наиболее правдоподобное объяснение этого явления заключается в том, что рентгеновское излучение генерируется веществом, которое выбрасывается с поверхности видимой звезды. Когда оно падает в направлении невидимого компаньона, создается спиральное движение, как при сливании воды из ванны, и вещество нагревается и испускает рентгеновские лучи. Чтобы этот механизм работал, невидимый объект должен быть очень маленьким, как белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра. Итак, по наблюдаемому движению видимой звезды можно определить минимальную возможную массу невидимого объекта. В случае системы Лебедь X-l эта масса примерно в шесть раз больше массы Солнца. Согласно результатам Чандрасекара, это слишком много для того, чтобы невидимый объект был белым карликом. Для нейтронной звезды эта масса также слишком велика. Так что, по-видимому, это должна быть черная дыра.

разрешен. Свидетельства существования черных дыр обнаружены во многих других системах нашей Галактики, а также в центрах других галактик и квазаров (там черные дыры, по-видимому, гораздо крупнее). Кроме того, не исключена возможность существования черных дыр с массами гораздо меньшими, чем масса Солнца. Такие черные дыры не могли возникнуть в результате гравитационного коллапса, поскольку их массы меньше предела Чандрасекара. Звезды столь малой массы способны противостоять собственной гравитации, даже когда они израсходовали все свое ядерное топливо. Таким образом, черные дыры малой массы могли бы образоваться только в том случае, если вещество было сжато до огромной плотности под воздействием очень большого внешнего давления.

Черные дыры, в конце концов, не так уж черны. Они светятся, как нагретое тело, и чем меньше их размер, тем ярче их свечение.

Горизонт событий формируется лучами света, которым не удается покинуть черную дыру.

Второй закон термодинамики Неубывание площади черной дыры заставляет вспомнить о свойстве энтропии – физической величины, которая служит мерой неупорядоченности системы. Как показывает жизненный опыт, если вещи предоставлены сами себе, беспорядок возрастает; чтобы увидеть это, достаточно перестать ремонтировать что-либо в доме. Можно создать порядок из беспорядка – например, можно покрасить дом. Однако на это требуется затратить энергию, что приведет к уменьшению количества доступной нам упорядоченной энергии.

Когда вещество падает в черную дыру, площадь горизонта событий увеличивается.

разных видах другими учеными. Все они подтверждали, что черная дыра должна испускать элементарные частицы и излучение, как если бы это было нагретое тело с температурой, зависящей только от массы черной дыры: чем больше масса, тем ниже температура.

По закону сохранения энергии одна из пары виртуальных частиц будет обладать положительной энергией, а другая – отрицательной. Виртуальная частица с отрицательной энергией обречена на недолгую жизнь. Это связано с тем, что реальные частицы при обычных условиях всегда имеют положительную энергию. Поэтому она должна найти свою пару и аннигилировать. Однако гравитационное поле внутри черной дыры настолько сильно, что даже реальная частица может обладать в нем отрицательной энергией. Поэтому при наличии черной дыры виртуальная частица с отрицательной энергией может попасть в нее и стать реальной. В этом случае ей больше не требуется аннигилировать со своей парной частицей. Покинутая ею парная частица также может попасть в черную дыру. Но поскольку она обладает положительной энергией, то может ускользнуть в бесконечность в виде реальной частицы. Для удаленного наблюдателя это будет выглядеть так, будто она испущена черной дырой. Чем меньше черная дыра, тем меньше расстояние, которое придется преодолеть частице с отрицательной энергией, чтобы стать реальной. Таким образом, интенсивность излучения будет больше и наблюдаемая температура черной дыры – выше.

Чем меньше масса черной дыры, тем выше ее температура. Поэтому по мере уменьшения массы черной дыры ее температура и интенсивность излучения растут. Следовательно, она теряет массу еще быстрее. Что происходит, когда масса черной дыры становится бесконечно малой, не совсем ясно. Наиболее разумное предположение заключается в том, что она полностью исчезнет в грандиозном финальном всплеске излучения, эквивалентном по мощности взрыву миллионов водородных бомб.

Если астронавт упадет в черную дыру, ее масса увеличится. Когда-нибудь энергия, эквивалентная этой дополнительной массе, вернется во Вселенную в виде излучения. Так что астронавт в некотором смысле подвергнется «переработке». Впрочем, это будет не очень приятный вариант бессмертия, поскольку личное ощущение времени для астронавта почти наверняка перестанет существовать, когда он будет раздавлен в черной дыре. Даже элементарные частицы, испущенные впоследствии черной дырой, будут в общем случае отличаться от тех, из которых состоял астронавт. Все, что сохранится от астронавта при попадании в черную дыру, – это его масса (или энергия).

Модель горячего Большого взрыва Чтобы объяснить содержание моей статьи, я сначала изложу общепринятые взгляды на историю Вселенной в соответствии с моделью, известной под названием «модель горячего Большого взрыва». В ней подразумевается, что Вселенная с момента Большого взрыва описывается моделью Фридмана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и излучения. Поскольку температура – это всего лишь мера средней энергии частиц, это остывание Вселенной будет сильно влиять на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы будут двигаться настолько быстро, что смогут преодолеть любое взаимное притяжение, обусловленное ядерными или электромагнитными силами. Однако можно ожидать, что при охлаждении частицы, притягивающиеся друг к другу, начнут слипаться. В момент Большого взрыва размер Вселенной был равен нулю, а значит, она была бесконечно горячей. Но по мере расширения Вселенной температура излучения уменьшалась. Через одну секунду после Большого взрыва она упала до десяти миллиардов градусов. Это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, такие температуры бывают при взрыве водородной бомбы. В то время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих им античастиц, а также из некоторого числа протонов и нейтронов. В момент Большого взрыва размер Вселенной был равен нулю, а значит, она была бесконечно горячей. Но по мере расширения Вселенной температура излучения уменьшалась. По мере расширения Вселенной и снижения ее температуры скорость образования электронов и электронных пар при столкновении частиц становилась ниже скорости их разрушения в результате аннигиляции. Поэтому большинство электронов и антиэлектронов аннигилировали, порождая больше фотонов и оставляя совсем немного электронов. Приблизительно через сто секунд после Большого взрыва температура должна была снизиться до одного миллиарда градусов, что соответствует температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре у протонов и нейтронов уже не хватает энергии, чтобы преодолеть притяжение, обусловленное сильным ядерным взаимодействием. Они начинают объединяться, образуя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), состоящие из одного протона и одного нейтрона. Затем ядра дейтерия объединяются с другими протонами и нейтронами, образуя ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Появляется также небольшое количество ядер более тяжелых элементов – лития и бериллия. Можно подсчитать, что в модели горячего Большого взрыва около четверти протонов и нейтронов должны превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество ядер тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются на протоны, представляющие собой ядра атомов обычного водорода. Эти предсказания очень хорошо согласуются с наблюдениями. Модель горячего Большого взрыва также предсказывает, что мы должны наблюдать излучение, оставшееся от горячих ранних этапов развития Вселенной. Однако из-за расширения Вселенной его температура должна была снизиться до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Это объясняет происхождение микроволнового фонового излучения, открытого Пензиасом и Уилсоном в 1965 г. Поэтому мы вполне уверены в том, что построили правильную картину развития Вселенной, по крайней мере начиная с одной секунды после Большого взрыва. Всего лишь через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов должно было прекратиться. А затем, на протяжении последующего миллиона лет или около того, Вселенная просто продолжала расширяться без каких-либо особенных событий. По прошествии некоторого времени, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, электроны и ядра уже не обладали достаточной энергией, чтобы сопротивляться электромагнитному притяжению между ними. И они начали объединяться в атомы. Вселенная как единое целое продолжала расширяться и остывать. Однако в областях, где плотность слегка превышала средний уровень, расширение замедлялось дополнительным гравитационным притяжением. Из-за этого со временем расширение в некоторых областях должно было остановиться и смениться сжатием. По мере сжатия сила притяжения материи за пределами этих областей могла заставить их медленно вращаться. Чем меньше становилась сжимающаяся область, тем быстрее она вращалась – так фигуристы ускоряют свое вращение, прижимая руки к телу. В итоге, когда эта область стала достаточно мала, частота вращения увеличилась настолько, что удалось уравновесить гравитационное притяжение. Так возникли вращающиеся дисковидные галактики. Всего лишь через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов должно было прекратиться. А затем, на протяжении последующего миллиона лет или около того, Вселенная просто продолжала расширяться без каких-либо особенных событий. Со временем газ в этих галактиках распадается на облака, сжимающиеся под действием собственной гравитации. По мере сжатия температура газа увеличивается, пока он не нагревается настолько, что запускаются ядерные реакции. Водород превращается в гелий, а выделяющееся при этом тепло приводит к увеличению давления, что останавливает дальнейшее сжатие облаков. Они могут оставаться в таком состоянии долгое время, подобно нашему Солнцу, сжигая водород и превращая его в гелий и излучая энергию в виде тепла и света. * Это изображение величественной спиральной галактики NGC 4414 было получено на космическом телескопе «Хаббл» в 1995 г. Тщательно измерив блеск переменных звезд в этой галактике, астрономы смогли с высокой точностью определить расстояние до нее. Полученное расстояние (около 60 млн световых лет), а также определенные аналогичным способом расстояния до других ближайших галактик помогают астрономам больше узнать о скорости расширения Вселенной. В 1999 г. участники Комитета по наследию телескопа «Хаббл» повторно изучили снимки NGC 4414 и создали потрясающее полноцветное изображение этой пылевой спиральной галактики. На этом новом изображении видно, что центральные области этой галактики населяют в основном более старые желтые и красные звезды, что типично для большинства спиральных галактик. Внешние спиральные рукава – значительно голубее из-за продолжающегося формирования молодых голубых звезд, самые яркие из которых можно рассмотреть индивидуально благодаря высокому разрешению камеры телескопа «Хаббл». Более массивные звезды должны иметь более высокую температуру, чтобы сопротивляться более сильному гравитационному притяжению. При этом термоядерные реакции ускоряются настолько, что такие звезды израсходуют весь свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они слегка сжимаются и, разогреваясь, начинают преобразовывать гелий в более тяжелые элементы, такие как углерод или кислород. Однако при этом выделяется не намного больше энергии, поэтому наступает кризис, описанный мною в лекции, посвященной черным дырам. Что происходит дальше – не совсем ясно, но, вероятно, центральные области звезды сжимаются до состояния очень высокой плотности, характерного для нейтронных звезд или черных дыр. Внешние оболочки звезды могут быть разрушены чудовищным взрывом – вспышкой сверхновой, яркость которой затмит сияние всех остальных звезд галактики. Некоторые из более тяжелых элементов, образовавшихся в конце жизни звезды, будут выброшены обратно в галактический газ. Они станут исходным материалом для следующего поколения звезд. Внешние оболочки звезды могут быть разрушены чудовищным взрывом – вспышкой сверхновой, яркость которой затмит сияние всех остальных звезд галактики. Наше Солнце содержит примерно 2 % таких более тяжелых элементов, поскольку это звезда второго или третьего поколения. Оно образовалось около 5 млрд лет назад из облака вращающегося газа, содержащего остатки более ранних сверхновых. Большая часть газа в этом облаке пошла на образование Солнца или была выброшена вовне. Однако небольшое количество более тяжелых элементов объединилось, и образовались небесные тела, которые теперь обращаются вокруг Солнца в виде планет, таких как наша Земля.

Это означает, что разные области Вселенной должны были иметь абсолютно одинаковую начальную температуру, чтобы можно было объяснить тот факт, что микроволновое фоновое излучение имеет одинаковую температуру во всех направлениях. Кроме того, начальная скорость расширения должна была выбираться с высокой точностью, чтобы Вселенная не сжалась обратно к настоящему моменту. Это означает, что начальное состояние Вселенной действительно должно было выбираться со всей тщательностью, если модель горячего Большого взрыва верна на отрезке от сегодняшнего дня до момента начала времени. Очень трудно объяснить, почему Вселенная зародилась именно так, не прибегая к идее Божественного творения, целью которого было создание существ, подобных нам.

общую

В наблюдаемой нами области Вселенной содержится примерно 1080 частиц. Откуда они взялись? Ответ на этот вопрос дает квантовая теория, согласно которой частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда возникает вопрос: откуда появилась энергия? Ответ заключается в том, что общая энергия Вселенной в точности равна нулю. Любые неоднородности во Вселенной будут попросту сглажены расширением, как разглаживаются складки на воздушном шарике, когда вы его надуваете. Материя во Вселенной создана из положительной энергии. Однако вся материя притягивается под действием гравитации. Два куска материи, находящиеся близко друг к другу, обладают меньшей энергией, чем те же самые куски материи, разделенные большим расстоянием. Это связано с тем, что необходимо затратить энергию, чтобы разделить их. Требуется преодолеть силу гравитации, притягивающую их друг к другу. Получается, что в некотором смысле гравитационное поле обладает отрицательной энергией. Что касается Вселенной в целом, можно показать, что эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию материи. Следовательно, суммарная энергия Вселенной равна нулю. Когда размер Вселенной удваивается, положительная энергия материи и отрицательная энергия гравитации также удваиваются, так что суммарная энергия остается равной нулю. Итак, дважды нуль будет нуль. Таким образом, во Вселенной может удвоиться количество положительной энергии материи и удвоиться количество отрицательной гравитационной энергии, причем закон сохранения энергии не нарушается.

Когда размер Вселенной удваивается, положительная энергия материи и отрицательная энергия гравитации также удваиваются, так что суммарная энергия остается равной нулю. Во время инфляционной фазы размер Вселенной сильно увеличивается. Следовательно, общее количество энергии, доступной для образования частиц, становится очень большим. Как отметил Гут: «Говорят, что бесплатных обедов не бывает, но Вселенная – это самый настоящий бесплатный обед».

В квантовой теории гравитации пространство-время похоже на поверхность Земли – оно конечно по протяженности, но не имеет границы или края.

Теоремы о сингулярности в классической общей теории относительности показали, что Вселенная должна иметь начало и это начало должно описываться с помощью квантовой теории. Это, в свою очередь, привело к идее о том, что Вселенная может быть конечной в мнимом времени, но не иметь границ или сингулярностей. Однако если вернуться к действительному времени, в котором мы живем, то в нем, по-видимому, все же будут существовать сингулярности. И несчастного астронавта, падающего в черную дыру, все так же ждет печальная участь. Только способность жить в мнимом времени помогла бы ему избежать встречи с сингулярностями. Это может означать, что так называемое мнимое время на самом деле является основным, а то, что мы называем действительным временем, – лишь создание нашего разума. В действительном времени Вселенная имеет начало и конец в сингулярностях, которые образуют границу пространства-времени и в которых не действуют законы природы. Но в мнимом времени нет сингулярностей или границ. Так что быть может то, что мы называем мнимым временем, на самом деле является основным, а действительное время – это всего лишь придуманное нами понятие, помогающее нам описывать свои представления о Вселенной.

Существуют по крайней мере три различные стрелы времени. Во-первых, термодинамическая стрела времени – направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, психологическая стрела времени. Это направлен