Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную
Давайте начнем с самого обыкновенного фотоснимка – мужчина и женщина, сфотографированные крупным планом с расстояния в несколько метров. Потом представим себе тот же кадр, сделанный с постепенно увеличивающегося расстояния, которое каждый раз становится в десять раз больше предыдущего. На втором снимке будет виден клочок травы, на которую они присели, на третьем станет понятно, что они находятся в парке, на четвертом в кадр попадут какие-то высокие здания, пятый покажет весь город, а следующий – часть земного горизонта, на котором отчетливо видно, что он изгибается. Еще пара кадров – и мы получим великолепное изображение, которое стало знакомым с 1960-х гг.: вся Земля – с континентами, океанами и облаками, со своей атмосферой – кажется просто покрытой нежной глазурью, контрастирующей с бледными чертами Луны.
Еще три шага покажут внутренние планеты Солнечной системы с Землей, обращающейся вокруг Солнца по более широкой орбите, чем Меркурий и Венера, следующий кадр – всю Солнечную систему. Еще четыре кадра (вид из точки, отдаленной на несколько св. лет) – и наше Солнце выглядит как одна из многих звезд. Еще через три кадра мы увидим миллиарды практически неотличимых друг от друга звезд, собранных в плоском диске Млечного Пути, растянувшегося на десятки тысяч св. лет. Еще три шага позволят увидеть Млечный Путь как спиральную галактику, вместе с Туманностью Андромеды. Глядя с большего расстояния, мы увидим, что эти две галактики – лишь пара из сотен других – окраинные жители галактического Скопления Девы. Следующий шаг покажет, что Скопление Девы – это всего лишь достаточно скромное скопление из многих других. Даже если бы наш воображаемый объектив имел мощность Космического телескопа имени Хаббла, в последнем кадре с расстояния в несколько миллиардов километров вся наша Галактика была бы трудноразличимым пятнышком света.
Здесь наша серия снимков заканчивается. Дальше мы не можем расширять горизонт, но для того, чтобы, начав с «человеческого» масштаба в несколько метров, достигнуть границ обозримой вселенной, нам понадобилось 25 «скачков», каждый в десять раз больше предыдущего.
Следующий ряд увеличений будет направлен внутрь, а не вовне. С расстояния менее метра мы видим руку, с расстояния в несколько сантиметров – так близко, как только мы можем смотреть невооруженным глазом, – маленький кусочек кожи. Следующий снимок позволит нам проникнуть в тонкую структуру человеческой кожи, а вслед за ним – внутрь отдельной клетки (в человеческом теле клеток в сотни раз больше, чем звезд в нашей Галактике). Далее в пределах мощности сильного микроскопа мы попадем в королевство отдельных молекул – длинных, запутанных нитей протеинов и двойных спиралей ДНК.
Следующее приближение покажет нам отдельные атомы. Здесь начинают проявляться квантовые эффекты: есть предел отчетливости картинки, которую мы можем получить. Ни один реально существующий микроскоп не может проникнуть внутрь атома, где рой электронов окружает положительно заряженное ядро, но структуры в 100 раз меньше атомного ядра можно исследовать, изучая, что происходит, когда в них врезаются другие частицы, ускоренные до скорости, приближенной к скорости света. Это самые мелкие детали, которые мы можем измерить напрямую; тем не менее мы подозреваем, что в глубинной структуре мироздания могут лежать суперструны или «квантовая пена», имеющие такие маленькие размеры, что для того, чтобы до них добраться, потребуется еще 17 приближений{1}.
Наши телескопы могут заглянуть на расстояние, которое больше суперструны (самой маленькой подструктуры, предположительно существующей внутри атома) в количество раз, которое можно выразить шестидесятизначным числом: чтобы получить изображение природного мира, нам потребуется приблизиться на нашем воображаемом объективе на 60 шагов (из которых в настоящее время возможны только 43). Из всех этих «кадров» наш обычный опыт может включать самое большее девять – от самых маленьких частиц размером примерно в миллиметр, которые может видеть наш глаз, до расстояния, которое мы преодолеваем во время перелета между континентами. Это подчеркивает нечто очень важное и значительное, но при этом столь очевидное, что мы принимаем его как данность: наша Вселенная включает в себя громадный диапазон расстояний и огромное разнообразие структур, которые могут быть намного больше и намного меньше тех измерений, в которых мы проводим свою повседневную жизнь.
БОЛЬШИЕ ЧИСЛА И РАЗНЫЕ МАСШТАБЫ
В каждом из нас от 1028 до 1029 атомов. Это «человеческое измерение» с точки зрения чисел находится где-то между массой атомов и массой звезд. Масса Солнца примерно равна массе такого же количества людей, сколько в каждом из нас атомов. Но наше Солнце – самая обыкновенная звезда в Галактике, состоящей из сотен миллиардов звезд. В видимой Вселенной по меньшей мере столько же галактик, сколько звезд в Галактике. Таким образом, в зону видимости наших телескопов попадают более 1078 атомов.
Живые организмы состоят из множества слоев сложных структур. Атомы соединяются в сложные молекулы. Молекулы сложными путями реагируют друг с другом в каждой клетке и выстраиваются в большие взаимосвязанные структуры, из которых состоит дерево, насекомое или человек. Мы занимаем место между космосом и микрокосмом – находимся посередине между Солнцем, имеющим диаметр в миллиард метров, и молекулой с диаметром в миллиардные части метра. Нет никакой случайности в том, что природа наиболее сложно устроена именно в таком среднем масштабе: что-либо большего размера, находящееся на обитаемой планете, разрушилось бы под воздействием гравитации.
Мы привыкли к мысли о том, что микромир воздействует на нас: мы беззащитны перед вирусами размером в миллионные доли метра, а в крохотной двойной спирали ДНК содержится наш генетический код. Не менее очевидно и то, что мы зависим от Солнца и его мощи. Но что насчет структур более крупного масштаба? Даже ближайшие к нам звезды находятся в миллионы раз дальше, чем Солнце, а известный нам космос простирается еще в миллиарды раз дальше. Почему существует так много пространства за пределами Солнечной системы? В этой книге я опишу, каким образом мы связаны со звездами, и докажу, что невозможно раскрыть тайны нашего собственного происхождения вне космического контекста.
Глубокие связи между «внутренним пространством» мира внутри атомов и «внешним пространством» космоса показаны на рисунке 1.1 в виде
Слева на иллюстрации показаны атомы и внутриатомные частицы – это квантовый мир. Справа находятся планеты, звезды и галактики. В этой книге мы уделим внимание некоторым важным связям между микромасштабными структурами слева и структурами макромира справа. Мир нашей повседневной жизни определяется атомами и тем, как они соединяются в молекулы, минералы и живые клетки. То, как светят звезды, зависит от того, из каких ядер состоят их атомы. Галактики могут держаться вместе из-за силы притяжения огромного роя субъядерных частиц. «Гастрономически» символизируемая, эта иллюстрация воплощает величайшую связь, которая ускользает от нас, – соединение между космосом и квантом.
Уроборос охватывает 60 порядков величины. На самом деле такой огромный диапазон является необходимым условием для «интересной» вселенной. Вселенная, где нет больших чисел, никогда не сможет развить сложную иерархию структур – она будет скучным местом, где, конечно же, не будет никакой жизни. Кроме того, должны быть и большие временные промежутки. Процессы внутри атома могут происходить за миллионные или миллиардные доли секунды, а около ядра они происходят еще быстрее. Сложные процессы, которые превращают зародыш в кровь, кости и плоть, требуют непрерывного клеточного деления и образования новых структур. При этом каждое из них влечет за собой тщательную перегруппировку и воспроизведение молекул. Эта деятельность никогда не прекращается, пока мы едим и дышим. Наша жизнь – это всего лишь одно поколение в эволюции человечества, всего один эпизод, являющийся проявлением всей совокупности жизни.
Огромные промежутки времени, необходимые для эволюции, дают новую точку зрения на вопрос: «Почему наша Вселенная так велика?» Для того чтобы здесь, на Земле, появились люди, потребовалось 4,5 млрд лет. Еще до того, как сформировались Солнце и планеты, в существующих ранее звездах чистый водород должен был превратиться в углерод, кислород и другие элементы периодической системы. Это заняло около 10 млрд лет. Размер наблюдаемой Вселенной примерно равен тому расстоянию, которое прошел свет со времени Большого взрыва, поэтому современная видимая Вселенная должна иметь протяженность около 10 млрд св. лет.
Это ошеломляющее заключение. Сама огромность Вселенной, которая на первый взгляд указывает на нашу незначительность в космической схеме, на самом деле связана с нашим существованием. Никто не говорит, что Вселенная не могла быть меньше, просто мы не смогли бы в ней существовать. Расширение космического пространства – это не экстравагантное излишество, это последствие длинной цепи событий, которые начались еще до того, как сформировалась Солнечная система, и привели к нашему появлению на сцене.
Это может показаться возвращением к древней «антропоцентрической» точке зрения – той, которая была поколеблена открытием Коперника, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но мы не должны заходить слишком далеко в скромности Коперника (которую иногда называют «принципом посредственности»). Таким существам, как мы, для развития были нужны особые условия, поэтому наша точка зрения обречена на то, чтобы быть нетипичной. Протяженность нашей Вселенной не должна нас удивлять, хотя мы можем по-прежнему искать более глубокие объяснения ее отличительным чертам.
МОЖЕМ ЛИ МЫ ПОНЯТЬ НАШУ ВСЕЛЕННУЮ?
Физик Макс Планк заявил, что от теорий никогда не отказываются, пока не умирают все их сторонники, и, таким образом, наука движется «от похорон до похорон». Но это слишком циничный взгляд на вещи. Сейчас разрешено несколько долгих космологических споров, и некоторые более ранние проблемы больше не являются противоречивыми. Многие из нас часто меняют свое мнение – по крайней мере со мной это происходит. На самом деле в этой книге рассказывается история, которую я сам когда-то считал удивительной. Многие разделяют точку зрения относительно космоса, которую я здесь описываю, хотя многие другие и не полностью согласны с моей интерпретацией.
Космологические концепции теперь хрупки и изменчивы не более, чем теории об истории нашей Земли. Геологи пришли к выводу, что континенты движутся примерно с той же скоростью, с какой у нас растут ногти, и что 200 млн лет назад Европа и Северная Америка были единым целым. Мы верим им, несмотря на то что такие огромные временные промежутки трудно себе представить. Также мы принимаем за истину – по крайней мере в общих чертах – историю развития нашей биосферы и появления человека. Но некоторые ключевые характеристики нашей космической среды теперь подкрепляются точными данными. Эмпирическое обоснование Большого взрыва, произошедшего около 13–14 млрд лет назад, является таким же бесспорным доказательством, как и геологические теории истории Земли. Это просто поразительное изменение: наши предки могли выдвигать гипотезы, практически не обремененные фактами, и почти до последнего времени космология была не чем иным, как чисто теоретической математикой.
Несколько лет назад я был уверен на 90 % в том, что Большой взрыв действительно был, и в том, что вся наблюдаемая нами Вселенная когда-то выглядела как сжатый шар, гораздо более горячий, чем центр Солнца. Теперь эта теория обоснована гораздо лучше: в 1990-е гг. колоссальный прорыв в наблюдениях и экспериментах позволил лучше понять космологическую картину, и теперь я могу повысить степень своей уверенности до 99 %.