Текст книги "История всего"

Автор книги: Дональд Голдсмит

Нил Деграсс Тайсон, Дональд Голдсмит
История всего
14 миллиардов лет космической эволюции

Посвящается каждому, кто поднимает глаза к небу, и всем, кто еще не знает, что по-другому просто нельзя.

Благодарности

Мы в неоплатном долгу перед Робертом Лаптоном из Принстонского университета за то, что он читал и перечитывал рукопись, добиваясь того, чтобы в ней мы говорили то, что имеем в виду, и имели в виду то, что говорим. Благодаря его исключительной эрудиции в астрофизике и английском языке эта книга в результате получилась на несколько уровней выше, чем мы изначально смели надеяться.

Мы также благодарны Шону Кэрроллу из Чикагского института ядерных исследований им. Ферми, Тобиасу Оуэну из Гавайского университета, Стивену Сотеру из Американского музея естественной истории, Лэрри Сквайру из Калиф орнийского университета, Майклу Штраусу из Принстонского университета и продюсеру сериала NOVA[1]1
  NOVA («Новая звезда») – американским научно-популярный документальный телесериал, который выходит на телеканале PBS в США, а также более чем в 100 странах мира. Первая серия вышла на экраны 3 марта 1974 года; в 2015 году идет уже 42-й сезон сериала.


[Закрыть] Тому Левенсону за ряд ключевых предложений, которые помогли дополнить и улучшить книгу.

Мы хотим поблагодарить Бетси Лернер из литературного агентства Gernert за ее веру в наш проект с самого начала: она видела в рукописи не только книгу, но и воплощение глубокого интереса к Вселенной, который заслуживал того, чтобы поделиться им как можно с большим количеством людей.

Внушительные отрывки из второй части и разрозненные сегменты первой и третьей частей книги впервые были опубликованы в журнале «Естественная история» в виде эссе под авторством Нила Деграсса Тайсона. За это он выражает отдельную благодарность главному редактору журнала Питеру Брауну и особенно старшему редактору Эвису Лэнгу, который и сегодня героически продолжает исполнять роль высокообразованного поводыря Нила Деграсса Тайсона в мире литературы и писательства.

Авторы спешат отметить поддержку фонда Альфреда Слоуна во время написания и подготовки книги к печати. Их неизменная готовность поддерживать подобные проекты приводит нас в восхищение.

Нил Деграсс Тайсон, Нью-Йорк, Дональд Гольдсмит, Беркли, Калифорния, июнь 2004

Предисловие
Рассуждения о происхождении науки и науке о происхождении

В последнее время ответы на вопросы о наших истоках во Вселенной приходят не только из области астрофизики. Трудясь под эгидой целого объединения молодых областей науки, таких как астрохимия, астробиология и физика астрочастиц, астрофизики обнаружили, что взаимодействие с множеством разных научных дисциплин при поиске ответа на вопрос: «Откуда мы здесь?» – дает исследователям доступ к информации немыслимой ранее ширины и глубины, помогая анализировать устройство нашей Вселенной.

В книге «История всего: 14 миллиардов лет эволюции» знакомим читателя с новой единой системой научных знаний, которая позволяет исследовать происхождение не только Вселенной, но и отдельных крупнейших ее структур, образованных веществом: звезд, что сияют в космосе, планет, предлагающих наиболее пригодные условия для зарождения жизни, и самой жизни на одной или нескольких таких планетах.

Люди проявляют интерес к вопросам происхождения мира по многим причинам как логического, так и эмоционального характера.

Мы едва ли способны объять суть чего бы то ни было, пока не узнаем, откуда оно появилось. Из всех историй, что мы когда-либо слышали, именно те, что говорят о первоисточнике, начале начал, находят в нас наибольший отклик.

Врожденная эгоистичность человека, обусловленная эволюцией его вида и приобретенным на Земле жизненным опытом, естественным образом заставляет нас сосредоточиваться на локальных событиях и явлениях для того, чтобы рассказать большую часть историй о происхождении. Однако с каждой новой ступенью знаний о строении Вселенной мы лишь убеждаемся, что живем на крупице космической пыли, которая вращается вокруг самой заурядной звезды где-то на отшибе самой обычной галактики – одной из сотен миллиардов галактик во Вселенной. Сам факт такой космической незначительности запускает в человеческой психике потрясающий защитный механизм. Многие из нас, сами того не подозревая, напоминают человека из мультфильма, глядящего на звездные небеса и говорящего своему приятелю: «Когда я вижу все эти звезды, я поражаюсь тому, сколь они незначительны».

На протяжении всей истории человечества различные культуры предлагали мифы о создании мира, отражавшие наше происхождение как результат действия неких высших сил, определяющих судьбу. Такие истории помогали нам бороться с чувством собственной незначительности.

Большинство историй о мироздании, как правило, начинается с общей картины, но они с поразительной скоростью добираются до самой поверхности Земли, молнией проносясь сквозь рождение Вселенной, всего ее содержимого, жизни на Земле как таковой, и превращаются в длинные объяснения бесчисленных: подробностей истории человечества и его социальных конфликтов, словно мы с вами и есть центр мироздания.

Почти все разрозненные ответы на вопрос о нашем происхождении так иначе опираются на основополагающую предпосылку, что космос ведет себя в соответствии с рядом общих правил, которые, по крайней мере гипотетически, раскрываются тогда, когда мы начинаем внимательно изучать окружающий нас мир. Философы Древней Греции вознесли эту предпосылку до невероятных высот. Они настаивали, что человек обладает способностью воспринимать и понимать принципы устройства природы, а также базовую реальность, скрытую под зримыми ее проявлениями. Эта реальность и есть те самые фундаментальные истины, управляющие всем на свете. Они также весьма метко утверждали, что докопаться до этих истин будет непросто. Двадцать три столетия назад в своем знаменитом высказывании о невежестве человека греческий философ Платон сравнил тех, кто стремится к знанию, с узниками в пещере, прикованными к полу: они не видят того, что у них за спиной, но пытаются постигнуть достоверную, суть этих предметов по очертаниям теней на противоположной стене пещеры.

Этим сравнением Платон не просто подытожил попытки человека понять Вселенную, но и подчеркнул нашу естественную склонность к тому, чтобы приписывать таинственным и едва осознаваемым сущностям власть над ней. И это на основании знаний, которые в лучшем случае являются лишь верхушкой айсберга. От Платона до Будды, от Моисея до Мухаммеда, от гипотетического космического творца до современных фильмов о «матрице» – в каждой культуре люди рано поздно приходят к выводу, что Вселенной управляют высшие силы, которых не смущает та пропасть, что лежит между реальностью и ее поверхностными внешними проявлениями.

Полтысячелетия назад постепенно сформировался и укрепился новый подход к пониманию природы. Сегодня мы называем этот подход наукой. Он появился в результате взаимодействия новых технологий и тех открытий, которые стали благодаря им возможны. Распространение печатных книг в Европе и одновременное улучшение дорожного и водного сообщения позволили людям выходить на связь друг с другом быстрее и эффективнее. Они могли в краткие сроки узнавать, что думают и говорят другие, и отвечать им гораздо быстрее, чем раньше. В XVI и XVII веках такая ускоренная двухсторонняя схема обсуждения постепенно превратилась в новый формат получения знаний, основанный на принципе, что самый эффективный способ познания космоса – это тщательные наблюдения за ним в сочетании с попытками описать общие базовые принципы, которые объясняли бы множества таких наблюдений.

Кроме того, наука зависит от организованного скептицизма – постоянного и методического подвергания сомнению всех и вся. Немногие из нас сомневаются в своих собственных выводах, так что на практике наука в полной мере применяет свой базовый скептицизм, воздавая по заслугам тем, кто сомневается в чужих выводах. Возможно, такой подход следует считать неестественным, и не столько потому, что он поощряет недоверие к мыслям других людей, сколько потому, что наука поощряет и награждает тех, кто смог продемонстрировать, что другой ученый был попросту не прав. В глазах других ученых тот, кто смог поправить ошибку коллеги назвать достойную причину сомневаться в его или ее заключениях, совершает благородное дело, словно Учитель дзен-буддизма, огревающий по ушам уклоняющегося от медитации ученика. Правда, надо признать, ученые поправляют друг друга как равный равного, а не как учитель ученика.

Воздавая почести ученому, который заметил у другого ошибку – а такая задача в разы проще, чем заметить свои собственные промахи, – ученые создали внутри своего обособленного мирка врожденную систему самокоррекции. Они совместно учредили самый эффективный и действенный инструмент для анализа природы из доступных нам: ученые ищут способы развенчать предложенные другими теории, но исключительно потому, что искренне стремятся внести вклад в развитие человеческого знания. Таким образом, наука – это коллективная погоня за знанием, но уж точно не кружок взаимного восхищения, впрочем, последнее ей совершенно ни к чему.

Как и все попытки человека свершить прогресс, научный подход работает лучше в теории, чем на практике. Не все ученые подвергают друг друга сомнению так старательно, как следовало бы. Необходимость произвести впечатление на отдельных ученых, которые занимают влиятельные должности и иногда оказываются неосознанной жертвой внешних факторов, нередко вмешивается в самокоррекционные процессы науки. Тем не менее в долгосрочной перспективе ошибки не выживают – рано или поздно их обнаружат другие ученые, которые поднимутся по карьерной лестнице, объявив о своем открытии остальным. Те же заключения, которые выдерживают многоразовые нападения других ученых, в конце концов приобретают статус научных законов; их принимают в качестве состоятельных моделей описания реальности, даже при том, что ученые понимают – каждый из этих законов может в один день оказаться лишь частью какого-то большего и более фундаментального порядка вещей.

Однако нельзя сказать, что ученые тратят все свое время на то, чтобы доказать: кто-то другой был не прав. Большинство научных изысканий подразумевает тестирование не до конца утвержденных гипотез с использованием слегка улучшенных результатов наблюдений. Время от времени рождается принципиально новое видение какой-то важной теории, (чаще всего в эпоху технологического прогресса) целый свод новых наблюдений открывает глаза на новый возможный свод гипотез, которые способны объяснить эти новые наблюдения. Величайшие моменты научной истории всегда связаны с появлением нового объяснения, которое, возможно, вкупе с новыми результатами наблюдений провоцирует резкий скачок в нашем понимании устройства окружающего мира. Научный прогресс зависит от отдельных личностей из обоих лагерей: тех, кто собирает более качественные данные и осторожно делает новые выводы на их основании, и тех, кто рискует многим (но и много выигрывает в случае успеха), бросая вызов общепризнанным умозаключениям.

Скептическое ядро науки делает ее неважным конкурентом человеческим сердцам и умам, которые шарахаются от ее бесконечных противоречий и предпочитают безопасную надежность вроде как «непреложных» истин. Если бы наш подход предлагал лишь очередную трактовку устройства Вселенной, он никогда бы не добился чего-либо значительного. Выдающийся успех науки заключается как раз в том, что она работает. Если вы полетите на самолете, построенном по всем канонам науки, то есть на основании принципов, которые выдержали бесчисленное количество попыток доказать их несостоятельность, – вы с вероятностью в разы большей долетите до пункта назначения, чем если бы вам довелось путешествовать в самолете, собранном по правилам ведической астрологии.

Относительно новая история показывает, что люди, столкнувшиеся с тем, как успешно наука объясняет естественные явления, демонстрируют один из четырех типов реакции на это. Во-первых, узкое меньшинство принимает научный подход с распростертыми объятиями, видя в нем главную надежду на то, чтобы когда-нибудь понять природу во всем ее многообразии; они не ищут себя дополнительных вариантов пояснения устройства Вселенной. Во-вторых, гораздо большее количество людей игнорируют науку, считая ее неинтересной, непроницаемой противоречащей человеческому духовному началу (те, кто жадно смотрят телевизор, ни на секунду не задумываясь, откуда и как в нем появляются изображение и звук, напоминают нам о тесной этимологической связи слов «магия» и «машина»). В-третьих, еще одно меньшинство болезненно реагирует на то, как наука опровергает дорогие их сердцу верования, и потому активно стремится найти способы в свою очередь опровергнуть те научные результаты, что раздражают даже гневят их. Правда, делают они это вне скептической системы координат науки. Это можно легко установить, просто задав любому из них вопрос: «Какие вещественные доказательства смогут убедить вас, что вы не правы?» Эти антиученые все еще пребывают в состоянии шока, столь искусно описанного Джоном Донном в его поэме «Анатомия мира: первая годовщина» в 1611 году, когда начали появляться первые плоды современной науки:

 
Все новые философы в сомненье.
Эфир отвергли – нет воспламененья,
Исчезло Солнце и Земля пропала,
А как найти их – знания не стало.
Все признают, что мир наш на исходе,
Коль ищут меж планет в небесном своде
Познаний новых… Но едва свершится
Открытье – все на атомы крушится.
Все – из частиц, а целого не стало… [2]2
  Пер. Д. Шедровицкого.


[Закрыть]
 

Наконец, четвертая – довольно большая – доля общественности принимает научный подход в вопросах изучения природы, при этом сохраняя свою веру в сверхъестественных существ, которые управляют Вселенной за счет механизмов за гранью нашего понимания. Барух Спиноза, философ, который навел самый прочный мост между естественным и сверхъестественным, отрицал какие-либо различия между природой и Богом и настаивал, что космос есть одновременно и природа, и Бог. Приверженцы более традиционных религий, которые, как правило, утверждают, что это различие есть и оно неоспоримо, часто разрешают себя эту дилемму, всего лишь разделяя пространства, в которых действуют естественное и сверхъестественное.

К какому бы лагерю вы себя ни относили, нет никакого сомнения в том, что мы живем в благоприятное время для новых открытий, связанных с устройством Вселенной. Так давайте же начнем свое путешествие к истокам человечества в необъятном космосе, побудем немного детективами, которые устанавливают сам факт преступления, исходя из найденных улик. Мы приглашаем вас присоединиться к поискам космических улик и способов их трактовки, чтобы вместе попытаться узнать, как же так вышло, что небольшая часть этой Вселенной превратилась… в нас с вами.

Увертюра
Величайшая история всех времен

 
Первоначала вещей <…>
Всякие виды пройдя сочетаний и разных движений,
В расположенья они наконец попадают, из коих
Вся совокупность вещей получилась в теперешнем виде
И, приведенная раз в состояние нужных движений,
Много бесчисленных лет сохраняется так…[3]3
  Тит Лукреций Кар. О природе вещей / Пер. с лат. Ф. Петровского.


[Закрыть]
 

Лукреций

Примерно 14 миллиардов лет тому назад, в самом начале времен, все пространство, вещество и энергия известной нам Вселенной могли уместиться на булавочной головке. Вселенная тогда была так горяча, что основные силы природы (мы зовем их взаимодействиями), все вместе описывающие ее устройство, представляли собой одну единую силу. Когда температура Вселенной составляла невообразимые 10³⁰ градусов, а ее возраст насчитывал всего лишь 10^-43 секунд – а до этого момента все наши теории вещества и пространства вообще не имеют никакого смысла, – начали спонтанно появляться, исчезать и вновь появляться черные дыры, рождаясь из энергии единого силового поля. В таких экстремально суровых условиях, по нашим ориентировочным прикидкам, сама структура пространства и времени была жестоко скручена, из-за чего приобрела пористый пенообразный вид. В данный временной промежуток явления, описанные общей теорией относительности Эйнштейна (современная теория гравитации), и явления, объясненные квантовой механикой (описывает вещество в его мельчайших проявлениях), были неотличимы друг от друга.

Вселенная расширялась и остывала, и от единого силового поля отделилась сила тяготения – гравитация. Вскоре после этого сильное ядерное взаимодействие и электрослабое взаимодействие отделились друг от друга: этому сопутствовало выделение огромного объема энергии, которое спровоцировало стремительное увеличение Вселенной в размерах – в 10⁵⁰ раз. Это стремительное расширение, известное в науке как эпоха инфляции, растянуло и разгладило вещество и энергию до такой степени, что разница между их плотностью в двух разных частях Вселенной не превышала одной стотысячной доли.

Далее мы уже можем вооружиться физикой, «обкатанной» и утвержденной в лабораторных условиях. Вселенная была все еще достаточно горячей для того, чтобы фотоны в ее составе могли спонтанно конвертировать свою энергию в пары частиц из вещества и антивещества, которые тут же незамедлительно аннигилировали, возвращая энергию обратно фотонам. По неизвестным нам причинам равновесие между количеством вещества и антивещества во Вселенной было нарушено при предыдущем расщеплении сил, из-за чего вещества в ней стало чуть больше, чем антивещества. Данное неравновесие – важнейший фактор в дальнейшей эволюции Вселенной: на каждый миллиард частиц антивещества пришелся один миллиард плюс еще одна частица вещества.

Вселенная продолжала остывать, и электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое ядерное. Таким образом были сформированы четыре разных и знакомых нам сегодня фундаментальных взаимодействия. Так как общая энергия фотонного бульона продолжала уменьшаться, энергии отдельных фотонов перестало хватать спонтанного формирования пар частиц вещества и антивещества. В то же время все оставшиеся пары вещества и антивещества одна за другой аннигилировали, оставляя за собой Вселенную, в которой существовала одна частица обычного вещества на каждый миллиард фотонов и никакого антивещества. Если бы вышеописанного неравновесия не приключилось, бесконечно расширяющаяся Вселенная бесконечно состояла бы из света: в ней не было бы больше ничего, в том числе ни одного астрофизика. За промежуток времени продолжительностью примерно три минуты вещество превратилось в протоны и нейтроны, многие из которых соединились в не что иное, как простейшие атомные ядра. В это время свободно перемещающиеся по Вселенной электроны тщательно разнесли фотоны во всех направлениях, создавая в итоге тусклый и непрозрачный бульон из вещества и энергии.

Когда температура Вселенной упала до нескольких тысяч градусов по шкале Кельвина (это немного горячее доменной печи), свободные электроны уже перемещались достаточно медленно того, чтобы прямо из бульона их понемногу могли выхватить аналогично перемещающиеся ядра: были созданы атомы водорода, гелия и лития – три самых легких химических элемента. Вселенная на данный момент впервые обрела прозрачность и начала пропускать свет. Эти беспечные свободные фотоны мы можем наблюдать сегодня в качестве так называемого космического микроволнового фонового излучения (или реликтового излучения). На протяжении первого миллиарда лет своей истории Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, а вещество под влиянием гравитации понемногу собиралось в огромные сосредоточения, которые мы сегодня называем галактиками. В рамках так или иначе обозримого космоса были сформированы сотни миллиардов таких галактик, каждая из них состоит из сотен миллиардов звезд, в ядрах которых постоянно протекает термоядерный синтез. Ядра звезд, более чем в десять раз превосходящих по своей массе Солнце, достигли температуры и степени давления, достаточных для того, чтобы произвести «На свет» десятки химических элементов, весивших больше водорода, выключая элементы, которым предстояло превратиться в целые планеты и зародить жизнь. Эти элементы были бы бесполезными, если бы они навсегда остались внутри звезд. Но смерть звезд с высокой массой сопровождается взрывом, после чего их богатые химическими элементами внутренности рассеиваются по всей галактике, пока не пригодятся где-нибудь еще.

Прошло семь или восемь миллионов лет такого вселенского химического обогащения, и родилась неприметная звезда (Солнце) в неприметном регионе (Орионовом рукаве) неприметной галактики (Млечный Путь) из неприметной части Вселенной (окраины суперкластера[4]4
  От англ. supercluster. Называется также сверхскоплением.


[Закрыть] Девы). В газовом облаке, из которого сформировалось Солнце, содержалось большое количество тяжелых химических элементов, их хватило на несколько планет, тысячи астероидов и миллиарды комет. Во время формирования этой звездной системы вещество сжалось и соединилось в отдельные космические тела, вырвавшись из родительского облака газа, но не прекратило вращаться вокруг Солнца. В течение нескольких сотен миллионов лет постоянные встречи с высокоскоростными кометами и другим космическим мусором расплавляли поверхность скальных планет, не давая сформироваться сложным молекулам. Со временем в Солнечной системе остается все меньше и меньше вещества, за счет которого другие тела могли бы еще больше нарастить массу, их поверхности понемногу начинают остывать. Планета, которую мы зовем Землей, родилась на орбите на таком расстоянии от Солнца, на котором в ее атмосфере могут существовать океаны (в основном в жидкой форме). Если бы Земля сформировалась гораздо ближе к Солнцу, ее океаны испарились бы. Если бы она появилась существенно дальше, океанам предстояло бы замерзнуть. В общем, такая жизнь, какой знаем ее мы, на планете не появилась бы.

В толще океанических вод, отличающихся богатым химическим составом, под воздействием неизвестных нам механизмов сформировалась простейшая анаэробная бактерия, которая непринужденно взяла и повысила в богатой углеводородом атмосфере Земли уровень содержания кислорода – повысила настолько, что стало возможно существование аэробных организмов: они могли жить, развиваться и заселять океаны и суши. Те же самые атомы кислорода, обычно встречающиеся парами (O₂), собрались и в группы по три, создав верхний озоновый (O₃) слой атмосферы: он защищает поверхность Земли от большинства ультрафиолетовых фотонов Солнца, весьма недружелюбно настроенных по отношению к земным молекулам.

Своим разнообразием жизнь на Земле и (как мы предполагаем) в других уголках Вселенной обязана изобилию углерода в космическом пространстве и тому бесчисленному количеству молекул, простых и сложных, что когда-то из него получились; в мире существует больше видов углеродных молекул, чем всех остальных молекул, вместе взятых. Но жизнь – хрупкая штука. Встречи земного шара с крупными объектами, оставшимися после формирования Солнечной системы (раньше они происходили регулярно), до сих пор периодически наносят урон нашей экосистеме. Всего каких-нибудь 65 миллионов лет назад (а это менее 2 % всей истории нашей Земли) астероид весом 10 миллиардов тонн врезался в территорию нынешнего полуострова Юкатан и уничтожил более 70 % наземной флоры и фауны – да-да, включая динозавров, господствующую форму жизни на суше тех времен. Эта экологическая трагедия дала шанс более мелким и выжившим в катастрофе млекопитающим занять освободившиеся на Земле вакансии. Особенно мозговитый отряд этих млекопитающих, которых мы называем приматами, эволюционировал в род и вид гомо сапиенс, отличающийся достаточным уровнем интеллекта, чтобы рано или поздно изобрести научные методики и инструменты, астрофизику и разгадать историю происхождения и эволюции Вселенной.

Да, Вселенная когда-то «началась». Да, Вселенная продолжает эволюционировать. И – да, каждый атом вашего тела можно проследить до самых истоков времен, до Большого взрыва и до термоядерных печей в ядрах особо крупных звезд. Мы не просто «находимся» в этой Вселенной – мы являемся ее неотъемлемой частью. Это она нас породила. Можно даже сказать, что Вселенная уполномочила нас, обитателей этого крошечного уголка необъятного космоса, самим во всем разобраться. К чему мы с вами и приступаем.