Книга знаменитого американского астрофизика и популяризатора науки К. Сагана рассказывает об эволюции Вселенной, формировании галактик и зарождении жизни и разума. Автор прослеживает пути познания Вселенной — от прозрений древних мыслителей через открытия Кеплера, Ньютона и Эйнштейна к современным космическим миссиям.

Глава X КРАЙ ВЕЧНОСТИ

Вот вещь, в хаосе возникающая, прежде неба и земли родившаяся! О беззвучная! О лишенная формы! Одиноко стоит она и не изменяется. Повсюду действует и не имеет преград. Ее можно считать матерью Поднебесной! Я не знаю ее имени. Обозначая иероглифом, назову ее Дао. Произвольно давая ей имя, назову ее великое. Великое — оно в бесконечном движении. Находящееся в бесконечном движении не достигает предела. Не достигая предела, оно возвращается [к своему истоку]*.

Лао-цзы. Дао дэ цзин. Китай. Около 600 г. до н. э.

Есть дорога в выси, на ясном зримая небе; Млечным зовется Путем, своей белизною заметна. То для всевышних богов — дорога под кров

Громовержца, В царский Юпитера дом.

Встали пенаты богов-небожителей, властию славных.

Это-то место — когда б в выражениях был я

смелее —

Я бы назвал, не боясь, Палатином великого неба**.

Овидий. Метаморфозы. Рим. I в. н. э.

Некоторые глупцы заявляют, что мир создан Творцом.

Доктрина, согласно которой мир был сотворен, противоречит здравому смыслу и должна быть отвергнута.

* Цит. по: Древнекитайская философия / Пер. с древнекит.: В 2 т. М., 1972. ** Перевод С. Шервинского.

357

Если Бог создал мир, то где Он был до творения?.. Как мог Бог сотворить мир без всякого исходного материала? Если сказать:

Он сначала создал материал, а потом мир, то мы приходим к бесконечной регрессии... Знайте, что мир, как и само время, является несотворенным, не имеющим ни начала, ни конца. И это лежит в его основе.

Махапурана. Индия

Десять или двадцать миллиардов лет назад случилось удивительное событие — Большой Взрыв, с которого началась наша Вселенная. Почему он произошел — величайшая из всех загадок. Но вот что случилось, мы знаем довольно хорошо. Вся материя и энергия Вселенной были сжаты до невероятно высокой плотности — в космическое яйцо, вроде тех, о которых упоминают многие мифы о творении; возможно, в математическую точку, вовсе лишенную размеров. Не то чтобы все вещество и энергия были втиснуты в какой-то уголок нынешней Вселенной, нет; скорее вся Вселенная — материя, энергия и пространство, которое они заполняли, — умещалась в очень малом объеме. В ней было очень немного места для событий.

Колоссальный космический взрыв положил начало расширению Вселенной, которое с тех пор никогда не прекращалось. Ошибочно описывать расширение Вселенной через аналогию с раздувающимся пузырем, наблюдаемым извне. По определению снаружи не могло находиться ничего из того, что мы знаем. Лучше представлять этот процесс изнутри, например воображая линии координатной сетки, приклеенные к движущейся ткани пространства, которое однородно расширяется во всех направлениях. По мере растяжения простран-

358

ства вещество и энергия расширяющейся Вселенной стремительно остывали. Излучение космического взрыва, которое, как тогда, так и сейчас, заполняет Вселенную, смещалось по спектру от гамма-лучей к рентгену и ультрафиолету, а затем через радугу цветов видимого спектра в инфракрасную часть спектра и радиодиапазон*. Порожденное Большим Взрывом фоновое космическое излучение, приходящее к нам со всех сторон, регистрируется современными радиотелескопами. В ранней Вселенной пространство было очень ярко освещено. С течением времени ткань пространства продолжала расширяться, излучение охлаждалось, и в какой-то момент в обычном видимом диапазоне космос стал темным, как теперь.

Молодая Вселенная была заполнена излучением и веществом — первоначально водородом и гелием, которые образовались из элементарных частиц плотного первичного огненного сгустка. Если бы в то время кто-то мог обозреть Вселенную, его взгляду было бы не за что зацепиться. Потом в газе появились небольшие сгущения, едва заметные неоднородности, которые начали расти. Стали формироваться волокна громадной паутины газовых облаков, скопления огромных, неповоротливых, медленно вращающихся объектов, яркость которых постоянно возрастала и каждое из которых оказалось в итоге состоящим из сотен миллиардов светящихся точек. Появились крупнейшие из известных образований во Вселенной. Мы видим их и сегодня.

* В наше время максимум этого излучения приходится на длину волны около 2 мм (частота 160 ГГц), что соответствует микроволновому диапазону. В русскоязычной литературе с подачи И. С. Шкловского это излучение принято называть реликтовым, тогда как в мире более распространен термин космический микроволновый фон. — Пер.

359

Мы обитаем в затерянном уголке одного из них. Они зовутся галактиками*.

По прошествии около миллиарда лет после Большого Взрыва распределение вещества во Вселенной сделалось немного комковатым, оттого, возможно, что сам Большой Взрыв не был идеально однородным. Плотность вещества в комках оказалась немного выше, чем в других местах. Их гравитация притягивала большое количество окружающего газа, растущих облаков водорода и гелия, которым было суждено стать скоплениями галактик. Очень небольших начальных неоднородностей хватило для формирования весьма крупных сгущений вещества.

По мере продолжения гравитационного коллапса зародыши галактик вращались все быстрее, подчиняясь закону сохранения углового момента. Некоторые из них сплющивались по оси вращения, вдоль которой центробежная сила не уравновешивала гравитацию. Они стали первыми спиральными галактиками, огромными шутихами в открытом космосе. Другие протогалактики с более слабой гравитацией или меньшим начальным моментом импульса сплющились очень незначительно и стали первыми эллиптическими галактиками. По всей Вселенной галактики настолько похожи друг на друга, будто сделаны по одному шаблону, потому что простые

* Строго говоря, галактики не являются крупнейшими известными образованиями во Вселенной. Астрономы называют по крайней мере еще два вышестоящих уровня организации материи: скопления и сверхскопления галактик, характерные размеры которых составляют порядка десяти и более ста миллионов световых лет соответственно. Одно из крупнейших сверхскоплений галактик открыто в конце 2000 г. Оно простирается на 600 млн. световых лет и удалено от нас на 6,5 млрд. световых лет. Несмотря на огромность дистанции — чуть меньше половины расстояния до горизонта Вселенной, — сверхскопление занимает на небе площадь 2x5°, что в 40 раз больше площади полной Луны. — Пер.

360

законы природы — всемирное тяготение и сохранение углового момента — действуют во всем мировом пространстве. Та же физика, которая в земном микрокосме определяет движение падающего тела или вираж конькобежца, создает галактики в макрокосме Вселенной.

В нарождающихся галактиках облака гораздо меньшего размера также переживали гравитационный коллапс; температура внутри них возрастала, начинались термоядерные реакции и вспыхивали первые звезды. Горячие массивные молодые звезды, беззаботно расточая запасы водородного топлива, быстро эволюционировали и вскоре заканчивали свою жизнь в великолепных вспышках сверхновых, возвращая термоядерный пепел — гелий, углерод, кислород и более тяжелые элементы — в состав межзвездного газа, из которого появлялись новые поколения звезд. Первые массивные звезды, вспыхивая сверхновыми, порождали череду накладывающихся друг на друга ударных волн в окружающем газе, сжимая межгалактическую среду и ускоряя образование скоплений галактик. Гравитация не упускает случая усиливать даже незначительные конденсации вещества. Ударные волны сверхновых могли увеличить интенсивность аккреции вещества в любом масштабе. Началась эпопея космической эволюции, породившая из газа, оставшегося после Большого Взрыва, иерархию конденсаций материи: скопления галактик, галактики, звезды, планеты и, наконец, жизнь и разум, способный в общих чертах понять тот изящный процесс, который привел к его возникновению.

Сегодняшняя Вселенная заполнена скоплениями галактик. Некоторые из них совсем не велики, всего-то несколько десятков галактик. Так называемая Местная Группа включает только две большие галактики, обе спиральные — Млечный Путь и М31. Другие скопления

361

содержат несметные орды из тысяч галактик, связанных взаимными гравитационными узами. По некоторым признакам скопление в созвездии Девы содержит десятки тысяч галактик*.

В самом крупном масштабе мы живем во Вселенной галактик, которая, вероятно, содержит сотни миллиардов изысканных образцов космического созидания и разрушения, в равной мере обнаруживающих и порядок, и хаос. Это обычные спирали, под разными углами повернутые к лучу нашего зрения (некоторые плашмя, так что нам видны спиральные рукава, другие ребром, демонстрируя центральную полосу газа и пыли, где эти рукава формируются); пересеченные спирали, в которых через центр проходит поток газа, пыли и звезд, соединяющий спиральные рукава с противоположных сторон; огромные, величественные эллиптические галактики, содержащие более триллиона звезд и выросшие до таких размеров за счет поглощения других галактик и слияния с ними; изобилие карликовых эллиптических галактик — галактической мошки, где насчитывается каких-то несколько миллионов солнц; поразительное разнообразие загадочных неправильных форм, указывающих, что и в мире галактик случаются какие-то зловещие нарушения; галактики, обращающиеся одна вокруг другой столь близко, что их края изгибаются под действием взаимного тяготения, а иногда возникают вытянутые гравитацией длинные выбросы из газа и звезд, мосты между галактиками.

В некоторых скоплениях галактики подчиняются незатейливой сферической геометрии; здесь встречаются преимущественно эллиптические галактики, среди ко-

* По современным данным, сверхскопление в созвездии Девы насчитывает около 30 тысяч галактик, принадлежащих к 11 облакам. — Пер.

362

торых часто доминирует одна гигантская эллиптическая — предположительно галактический каннибал. Другие скопления, чья геометрия гораздо более беспорядочна, содержат значительно больше спиральных и неправильных галактик. Столкновения галактик искажают форму изначально сферического скопления и могут также привести к образованию спиральных и неправильных галактик из эллиптических. Форма и распространенность различных галактик способны поведать историю древних событий, происходивших в самом большом из возможных масштабов, историю, которую мы только начали читать.

Развитие высокопроизводительных компьютеров сделало возможным численное моделирование совокупного движения тысяч и десятков тысяч точек, каждая из которых представляет собой звезду, находящуюся под воздействием тяготения всех остальных точек. В некоторых случаях спиральные рукава самопроизвольно образуются в галактике, которая уже сплющилась в диск. Изредка они могут появиться в результате гравитационного взаимодействия двух сблизившихся галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд. Облака газа и пыли, рассеянные в таких галактиках, сталкиваются и нагреваются. Но звезды двух сталкивающихся галактик без труда избегают столкновения, как пули, пролетающие сквозь пчелиный рой, поскольку галактики в основном состоят из пустоты и звезды разделены огромными пустыми пространствами. Тем не менее форма галактик может очень сильно исказиться. Прямое столкновение способно опустошить галактики, разбросав составляющие их звезды по межгалактическому пространству. Когда небольшая галактика пролетает перпендикулярно через центр более крупной, возможно образование редкой и самой восхитительной среди неправильных галак-

363

тик — кольца поперечником тысячи световых лет, брошейного на бархате межгалактического пространства. Это своего рода всплеск в галактическом водоеме, временная конфигурация потревоженных звезд, галактика, у которой вырвана центральная часть.

Бесформенные кляксы неправильных галактик, рукава спиральных галактик, бублики кольцевых существуют лишь в течение нескольких кадров космического кино, а затем рассеиваются, часто с тем чтобы вскоре образоваться вновь. Наше восприятие галактик как скучных неподвижных объектов ошибочно. Это текучие образования из сотен миллиардов звездных компонентов. Подобно человеческому телу, состоящему из 100 триллионов клеток, галактики находятся в динамическом равновесии между синтезом и распадом и представляют собой нечто большее, нежели сумму их частей.

Среди галактик высок уровень самоубийств. Ближайшие примеры тому можно найти на расстоянии десятков или сотен миллионов световых лет. Это мощные источники рентгеновского, инфракрасного и радиоизлучения, чьи ядра имеют огромную светимость, испытывающую колебания в масштабе нескольких недель. У некоторых обнаруживаются направленные потоки излучения, выбросы протяженностью в тысячи световых лет, пылевые диски и другие признаки смятения. Это саморазрушающиеся галактики. В ядрах таких гигантских эллиптических галактик, как NGC 6251 и М87, возможно, находятся черные дыры массой от миллионов до миллиардов масс Солнца. Внутри М87 гудит нечто очень массивное, чрезвычайно плотное и крайне маленькое — размером меньше Солнечной системы. Отсюда и был сделан вывод о черной дыре. В миллиардах световых лет от нас есть еще более беспокойные объекты — квазары, которые могут представлять собой колоссальные взры-

364

вы молодых галактик, самые катастрофические события в истории Вселенной после Большого Взрыва.

Слово quasar (квазар) является аббревиатурой английского словосочетания quasi-stellar radio source (квазизвездный радиоисточник). Когда стало ясно, что не все из них в действительности мощные источники радиоизлучения, их стали называть QSO (quasi-stellar objects — квазизвездные объекты). Поскольку внешне они похожи на звезды, то первоначально их и считали звездами, находящимися в нашей Галактике. Однако спектроскопические измерения их красных смещений (см. ниже) указывают на колоссальную удаленность. Похоже, что они в полной мере участвуют в расширении Вселенной, а некоторые из них удаляются от нас со скоростью более 90 процентов скорости света. Чтобы оставаться видимыми на таком большом расстоянии, они должны обладать чрезвычайно высокой светимостью; есть среди них такие, мощность которых соответствует тысяче одновременно вспыхнувших сверхновых. Так же как и в случае с объектом Лебедь Х-1, их быстрые флуктуации указывают на то, что все их невероятно мощное излучение исходит из очень маленького объема, по размерам уступающего Солнечной системе. Столь высоким энерговыделением квазар должен быть обязан какому-то удивительному процессу. Среди предлагавшихся объяснений: 1) квазары — это гигантские пульсары, то есть быстро вращающиеся сверхмассивные ядра с вмороженным в них сильным магнитным полем; 2) квазары обязаны своим появлением тому, что среди миллионов звезд, плотно упакованных в ядре галактики, происходят многочисленные столкновения, которые срывают внешние слои и обнажают разогретые до миллиардов градусов недра массивных звезд; 3) связанная с предыдущей идея о том, что квазары — это галактики, в которых звезды располагаются столь тесно, что когда одна из них вспыхи-

365

вает как сверхновая, то она сдувает с соседних внешние слои, превращая их в сверхновые и вызывая что-то вроде звездной цепной реакции; 4) энергетика квазаров обеспечивается разрушительной аннигиляцией вещества с антивеществом, которое каким-то образом сохранилось в квазарах до наших дней; 5) квазары излучают за счет энергии, высвобождаемой, когда газ, пыль и звезды засасываются в ядре галактики в огромную черную дыру, которая сама образовалась в результате столкновений и слияний черных дыр меньшего размера; 6) квазары — это «белые дыры», обратная сторона черных дыр, через которые выбрасывается материя, затянутая многочисленными черными дырами в других частях Вселенной и даже в других вселенных.

Изучая квазары, мы столкнулись с трудноразрешимыми загадками. Но что бы ни было причиной взрывов, одна вещь кажется ясной: столь бурные процессы должны вызывать неописуемые разрушения. Каждый взрыв квазара, возможно, уничтожает миллионы миров, в том числе таких, где есть жизнь и разум, способный понять, что происходит. Изучение галактик открывает универсальный порядок и красоту. Но оно также показывает хаотическое буйство в масштабах, каких мы и вообразить не могли. То, что мы живем во Вселенной, которая допускает жизнь, достойно удивления. Но не менее удивительно другое: мы живем во Вселенной, которая уничтожает галактики, звезды, планеты. Вселенная, похоже, не благосклонна и не враждебна, а попросту безразлична к ничтожным созданиям вроде нас.

Даже такие благонравные галактики, как наш Млечный Путь, проявляют активность и выкидывают коленца. Радионаблюдения показывают, что два громадных облака водорода, каких хватило бы на создание миллионов солнц, выбрасываются из ядра Галактики, как будто там время от времени возникает некий взрывной процесс.

366

Орбитальные астрономические обсерватории обнаружили, что ядро Галактики является мощным источником гамма-излучения на частоте определенной спектральной линии, которая согласуется с представлением о скрытой там массивной черной дыре. Галактики, подобные Млечному Пути, могут воплощать собой период спокойной зрелости в непрерывной эволюционной последовательности, включающей и бурную юность — квазары и взрывающиеся галактики. Поскольку квазары очень далеки от нас, мы наблюдаем их в период молодости, какими они были миллиарды лет назад.

Звезды Млечного Пути движутся в величественном порядке. Шаровые скопления ныряют сквозь галактическую плоскость и выходят с противоположной стороны, где замедляют свой ход, поворачивают и устремляются обратно. Если бы мы могли проследить за движением отдельных звезд вблизи галактической плоскости, то увидели бы, что оно напоминает подпрыгивание воздушной кукурузы. Мы никогда не видели, чтобы галактики существенно изменяли форму, но лишь потому, что это занимает слишком много времени. Млечный Путь совершает один оборот за четверть миллиарда лет. Сумей мы ускорить вращение, то убедились бы, что наша Галактика — динамичная, почти живая сущность, чем-то напоминающая многоклеточный организм. Астрономический снимок любой галактики — это лишь стоп-кадр, фиксирующий один момент ее медленного движения и эволюции*. Внутренняя часть Галактики вращается как

* Это не совсем точно. Ближний край галактики на десятки тысяч световых лет ближе к нам, чем дальний; поэтому ближние части галактики мы видим такими, какими они стали на десятки тысяч лет позже, чем дальние. Однако типичные явления, связанные с динамикой галактик, занимают десятки миллионов лет, так что, назвав снимки галактик моментальными, мы допустили лишь незначительную ошибку. — Авт.

367

твердое тело. Но за ее пределами внешние области вращаются все медленнее и медленнее, подобно планетам, которые в своем движении вокруг Солнца подчиняются третьему закону Кеплера. Рукава стремятся все более тугой спиралью закрутиться вокруг ядра, в спиральном узоре скапливаются газ и пыль, их плотность растет, в результате здесь начинается образование молодых звезд, которые и очерчивают спиральный рисунок. Эти звезды светят около десяти миллионов лет, что составляет всего пять процентов от периода вращения Галактики. Но по мере того как звезды, очерчивающие спиральный рукав, сгорают, вслед за ними формируются новые светила и связанные с ними туманности, сохраняя неизменным спиральный рисунок. Звезды, оконтуривающие рукава, не переживают даже одного оборота Галактики; устойчив только спиральный узор.

Скорость движения любой звезды вокруг центра Галактики обычно не совпадает со скоростью движения спирального узора. Солнце многократно пересекало спиральные рукава за те двадцать витков вокруг Галактики, что оно совершило, двигаясь по своей орбите со скоростью 200 километров в секунду (примерно 700 тысяч километров в час). В среднем Солнце с планетами проводит сорок миллионов лет внутри спирального рукава, затем восемьдесят миллионов вовне, затем еще сорок миллионов внутри следующего и т. д. Спиральные рукава — это области, где поспевает новый урожай звезд, но где далеко не всегда обнаруживаются такие зрелые светила, как Солнце. В настоящее время мы живем между спиральными рукавами.

Периодические прохождения Солнечной системы через спиральные рукава вполне могут иметь важные для нас последствия. Около десяти миллионов лет назад

368

Солнце покинуло так называемый пояс Гоулда* в спиральном рукаве Ориона, который сейчас удален от нас на расстояние менее тысячи световых лет. (Внутри рукава Ориона находится рукав Стрельца, а снаружи — рукав Персея.) Когда Солнце проходит через спиральный рукав, возрастает вероятность погружения его в газовые туманности или межзвездные пылевые облака и встречи с объектами субзвездной массы. Выдвигалось предположение, будто крупнейшие ледниковые периоды, повторяющиеся на нашей планете примерно каждые сто миллионов лет, могут быть связаны с тем, что между Солнцем и Землей оказывалось межзвездное вещество. У. Непьер и С. Клуб высказали предположение, что многие спутники, астероиды, кометы и вещество колец вокруг планет Солнечной системы свободно перемещались в межзвездном пространстве, пока не были захвачены Солнцем, проходящим сквозь спиральный рукав Ориона. Это интересная идея, хотя, по всей видимости, маловероятная. Тем не менее она поддается проверке. Все, что нам нужно сделать, — добыть образец, скажем с Фобоса или с кометы, и проверить изотопный состав магния. Относительная распространенность изотопов магния (у всех них одинаковое количество протонов, но различное число нейтронов) зависит от последовательности событий звездного нуклеосинтеза, включая моменты взрывов близких сверхновых, каждый из которых порождает свой особый изотопный состав магния. В другом районе Галактики события разворачивались

* В середине XIX в. некоторые астрономы обратили внимание на то, что яркие звезды так распределены вдоль Млечного Пути, что образуют полосу, наклоненную к нему примерно на 20°. В 1879 г. аргентинский астроном Гоулд (Gould) детально исследовал эту звездную подсистему, которая получила название пояса Гоулда. — Пер.

369

в иной последовательности, что должно было привести к иному соотношению изотопов магния.

Большой Взрыв и разбегание галактик были открыты благодаря хорошо известному явлению, называемому эффектом Доплера. Мы знакомы с ним из физики звука. Мимо нас с гудением проносится автомобиль. Внутри него водитель слышит постоянный звук с фиксированной высотой тона. А мы снаружи улавливаем характерное изменение в тональности гудка. Для нас звук меняется с высокого на низкий. Гоночная машина, покрывающая 200 километров в час, достигает почти одной шестой скорости звука. Звук — это последовательность волн в воздухе: гребень, впадина, гребень, впадина. Чем ближе друг к другу волны, тем больше частота или высота звука; чем дальше они, тем ниже тональность. Если автомобиль удаляется от нас, он растягивает звуковые волны, смещая их с нашей точки зрения в сторону низких частот и порождая всем нам хорошо знакомый характерный звук. Когда автомобиль к нам приближается, звуковые волны сжимаются, частота возрастает, и мы слышим пронзительный высокий сигнал. Зная нормальную частоту сигнала, издаваемого гудком неподвижного автомобиля, мы можем даже с завязанными глазами определить скорость автомобиля по изменению тональности гудка.

Свет — это тоже волна. Только в отличие от звука он прекрасно распространяется в вакууме. Эффект Доплера действует и в отношении света. Если бы по какой-то причине вместо звука автомобиль испускал бы вперед и назад лучи чистого желтого света, то частота излучения немного увеличивалась бы, когда автомобиль приближался, и немного уменьшалась бы при его удалении. При обычных скоростях этот эффект совершенно незаметен. Однако разгонись автомобиль до скорости, составляю-

370

щей заметную часть скорости света, мы увидели бы, как цвет огней приближающейся машины смещается в сторону высоких частот, то есть к синей части спектра, а удаляющейся — в сторону более низких частот, то есть к красному концу спектра. У объекта, приближающегося с очень высокой скоростью, цвета спектральных линий выглядят смещенными в голубую сторону. Спектральные линии объекта, уносящегося с очень высокой скоростью, испытывают красное смещение*. Красное смещение, наблюдаемое в спектрах далеких галактик и интерпретируемое как эффект Доплера, — это ключевой момент космологии.

В начале ХХ века строился крупнейший в мире телескоп, предназначенный для определения красных смещений далеких галактик. Строительство велось на горе Маунт-Вилсон, которая возвышалась над тогда еще чистым небом Лос-Анджелеса. Огромные детали телескопа приходилось затаскивать на вершину горы — делали это упряжки мулов. Молодой погонщик по имени Милтон Хьюмасон помогал доставлять на гору механическое и оптическое оборудование, а также ученых, инженеров и важных чинов. Он управлял колонной мулов, сидя верхом на лошади, а у него за спиной, положив передние лапы ему на плечи, все время стоял белый терьер. Хьюмасон был разнорабочим, из тех, что вечно жевали и сплевывали табак, картежником, завсегдатаем бильярдных и, как говорили в то время, дамским угодником. В школе он отучился всего восемь классов, но был сметлив, любознателен и очень заинтересовался оборудованием,

* Сам объект может быть любого цвета, даже голубого. Красное смещение выражается в том, что каждая спектральная линия выглядит так, будто имеет большую длину волны, чем в спектре покоящегося объекта; величина красного смещения пропорциональна длине волны спектральной линии, измеренной, когда объект находится в покое, и скорости его движения. — Авт.

371

которое с таким трудом переправлял на высоту. Хьюмасон водил компанию с дочерью одного из инженеров обсерватории, которому пришлась не по душе эта дружба с молодым человеком, чьи амбиции не шли дальше работы погонщиком мулов. Хьюмасон стал браться в обсерватории за любую работу: он служил помощником электрика, сторожем, мыл полы под куполом телескопа, в строительстве которого участвовал. Рассказывают, что однажды вечером ассистент, управлявший телескопом, заболел и Хьюмасона спросили, не сможет ли он заменить захворавшего. Милтон продемонстрировал такое мастерство и аккуратность в работе с инструментом, что вскоре стал постоянным оператором телескопа и помощником наблюдателей.

После Первой мировой войны на Маунт-Вилсон приехал Эдвин Хаббл, которому вскоре предстояло прославиться. Человек блестящий, светский, привыкший вращаться не только в кругу астрономов, говорящий с английским акцентом, который он приобрел в Оксфорде, где провел год как стипендиат Родса. Именно Хаббл окончательно доказал, что спиральные туманности в действительности являются «островными вселенными», далекими скоплениями огромного количества звезд, подобными нашему Млечному Пути; он придумал, где найти эталонную звездную свечу, необходимую для измерения расстояния до других галактик. Хаббл и Хьюмасон мастерски справились с задачей — эти двое хоть и казались странной парой, но с телескопом работали слаженно. Вслед за астрономом В. М. Слайфером из Лоуэлловской обсерватории они начали измерять спектры далеких галактик. Скоро стало ясно, что Хьюмасону удается получать высококачественные спектры галактик лучше, чем любому профессиональному астроному в мире. Он стал штатным сотрудником обсерватории Маунт-Вил-

372

сон, изучил научную подоплеку своей работы и заслуженно пользовался уважением астрономического сообщества.

Свет галактики представляет собой совокупное излучение миллиардов составляющих ее звезд. Когда свет покидает звезду, некоторые частоты, то есть цвета, поглощаются атомами в ее внешних слоях. Образующиеся линии позволяют нам утверждать, что звезды в миллионах световых лет от нас состоят из тех же химических элементов, что наше Солнце и соседние звезды. К своему удивлению, Хьюмасон и Хаббл обнаружили, что спектры всех далеких галактик смещены в красную сторону, но что еще удивительнее — смещены тем больше, чем дальше от нас находится галактика.

Наиболее очевидным объяснением красного смещения был эффект Доплера: галактики удаляются от нас; чем дальше находится галактика, тем выше скорость ее удаления. Но почему галактики разбегаются именно от нас? Неужели есть что-то особенное в нашем местоположении во Вселенной, как будто Млечный Путь чем-то провинился перед сообществом галактик? По всей видимости, гораздо более вероятно, что сама Вселенная расширяется, унося с собой галактики. Хьюмасон и Хаббл, как со временем стало ясно, открыли Большой Взрыв — если не происхождение Вселенной, то, по крайней мере, ее последнее воплощение.

Практически все в современной космологии — особенно представление о расширяющейся Вселенной и Большом Взрыве — основано на идее, что красные смещения далеких галактик связаны с эффектом Доплера и вызваны удалением галактик от нас. Но в природе существуют и другие причины красного смещения, например гравитация: красное смещение наблюдается, когда свет, покидающий сильное гравитационное поле, с таким трудом преодолевает действие сил тяготения, что теряет в

373

ходе движения энергию. Далеким наблюдателем это воcпринимается как смещение ускользнувшего из пут гравитации света в длинноволновую часть спектра, то есть в сторону красного цвета. Поскольку мы считаем, что в центрах некоторых галактик могут скрываться массивные черные дыры, это способно послужить вполне приемлемым объяснением красных смещений. Однако некоторые наблюдаемые спектральные линии нередко указывают на очень разреженный диффузный газ, а вовсе не на предельно высокую плотность, которая должна преобладать в окрестностях черных дыр. А может быть, красное смещение хотя и объясняется доплеровским эффектом, но вызвано не общим расширением Вселенной, а не столь масштабным местным галактическим взрывом. Но тогда нам следовало бы ожидать приближения такого же количества осколков взрыва, какое удаляется от нас, а значит, голубых смещений должно быть столько же, сколько красных. В действительности же, на какой бы объект за пределами Местной Группы мы ни направили телескоп, наблюдаются почти исключительно красные смещения.

Тем не менее некоторых астрономов преследует подозрение, что не все так гладко с выводом о расширении Вселенной, сделанным исходя из доплеровской природы красного смещения галактик. Астроном Халтон Арп обнаружил загадочные и настораживающие приметы того, как галактика и квазар или пара галактик, которые выглядели физически связанными, имели существенно различающиеся красные смещения. Иногда казалось, что их соединяет мост из газа, пыли и звезд. Если красное смещение вызвано расширением Вселенной, то из большой разницы красных смещений следует большая разница расстояний до галактик. Но две физически связанные галактики вряд ли могут быть столь сильно удалены друг от друга — в некоторых случаях на миллиар-

374

ды световых лет. Скептики утверждают, что эти ассоциации имеют статистический характер, что, например, близкая к нам яркая галактика и намного более удаленный квазар с сильно различающимися красными смещениями и скоростями удаления лишь случайно оказались расположенными на одном луче зрения, а в действительности физически не связаны. Такие случайные наложения должны встречаться с некоторой вероятностью. В центре дебатов был вопрос, не превышает ли число таких совпадений величины, которой следовало бы ожидать по статистике. Арп указывает и на другие случаи, когда по бокам галактики с малым красным смещением располагаются два квазара с большим и почти одинаковым красным смещением. Он считает, что квазары не удалены на космологические расстояния, а выброшены в противоположные стороны той самой галактикой, с которой они соседствуют, и что красные смещения вызваны каким-то пока неизвестным механизмом. Скептики вновь говорят о случайном совпадении и традиционной интерпретации красного смещения по Хабблу— Хьюмасону. Если прав Арп, то отпадает необходимость изыскивать экзотические механизмы на роль источника энергии далеких квазаров — цепные реакции сверхновых, сверхмассивные черные дыры и т. п. Ведь квазарам в таком случае вовсе не обязательно быть далекими. Но зато понадобится другой необычный механизм для объяснения природы их красного смещения. В обоих случаях в глубинах космоса происходит нечто очень странное*.

* Сегодня описанные случаи вполне убедительно объясняются механизмом гравитационного линзирования. Гравитационное поле галактики может искривлять траекторию лучей света, идущих от далекого квазара, вызывая появление нескольких изображений, линий, дуг и другие оптические эффекты. Гравитационные линзы способны концентрировать и тем самым усиливать свет очень далеких галактик. В результате рядом с умеренно удаленной галактикой-линзой появляется искаженное изображение галактики

375

Видимое удаление галактик при доплеровской интерпретации красного смещения — это не единственное доказательство Большого Взрыва. Независимым и очень убедительным подтверждением служит чернотельное фоновое космическое излучение — постоянный слабый фон радиоволн, приходящих к нам из космоса совершенно однородно со всех сторон. Интенсивность этого фона в точности такова, какой следует ожидать в нашу эпоху от заметно ослабшего излучения Большого Взрыва. Но и здесь есть нечто загадочное. Наблюдения с использованием чувствительной радиоантенны, поднятой в верхние слои атмосферы на борту самолета U-2, показали в первом приближении, что интенсивность фонового излучения соответствует почти идеально однородному расширению Вселенной в момент Большого Взрыва, то есть в миг своего рождения Вселенная обладала очень высокой степенью симметрии. Однако более точные исследования выявили, что симметрия фонового излучения неидеальна. В его распределении обнаруживается систематический эффект, который можно объяснить движением всего Млечного Пути (и предположительно других членов Местной Группы) в направлении скопления галактик в Деве со скоростью более двух миллионов километров в час (600 километров в секунду). С такой скоростью мы достигнем скопления через десять миллиардов лет, и тогда заниматься внегалактической астрономией станет намного проще. Скопление в Деве — это богатейшее собрание галактик, спиральных, эллиптических и неправильных, — настоящая небесная сокровищница. Но по какой причине мы так спешим к нему?

с большим красным смещением, создавая впечатление, что они находятся в физическом контакте друг с другом. После обнаружения гравитационных линз аргументов против доплеровской природы красного смещения квазаров практически не осталось. — Пер.

376

Джордж Смут с коллегами, которые проводили эти высотные наблюдения, предполагают, что Млечный Путь гравитационно связан с центром скопления в Деве, что скопление содержит намного больше галактик, чем до сих пор обнаружено, и, что самое поразительное, имеет колоссальный размер, достигающий в поперечнике одного или двух миллиардов световых лет.

Вся наблюдаемая Вселенная имеет в поперечнике лишь несколько десятков миллиардов световых лет, и если существует такое гигантское сверхскопление в Деве, то, возможно, есть и другие сверхскопления на больших расстояниях, которые гораздо труднее обнаружить*. Времени существования Вселенной, видимо, недостаточно для того, чтобы первоначальные гравитационные неоднородности смогли сконцентрировать в себе такую массу вещества, которая, похоже, заключена в сверхскоплении Девы. Поэтому Смут склоняется к выводу о том, что Большой Взрыв был гораздо менее однородным, чем следует из его же собственных наблюдений, что первоначальное распределение материи во Вселенной было сильно неоднородным. (Некоторой неоднородности следовало ожидать; более того, она требовалась для объяснения конденсации галактик; однако неоднородность в таком большом масштабе стала неожиданностью.) Возможно, этот парадокс удастся разрешить, рассматривая два или более почти одновременных Больших Взрыва**.

* К настоящему времени обнаружен целый ряд далеких сверхскоплений галактик. Группа эстонских астрономов под руководством Яана Эйнасто выявила, что в крупных масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, в узлах и ребрах которой как раз и располагаются сверхскопления галактик. — Пер.

** Сегодня объяснение этой проблемы астрономы ищут в представлении о так называемой скрытой массе, или темной материи. Предполагается, что светящееся вещество, которое доступно нашему наблюдению, составляет лишь незначительную долю всей материи во Вселенной. Если скрытая масса действительно велика, то небольшие флуктуации плотности могут быстрее становиться крупными неоднородностями. В пользу существования скрытой массы говорит целый ряд исследований, проведенных в последние 10-20 лет. — Пер.

377

Если верна общая картина расширяющейся Вселенной и Большого Взрыва, то перед нами встает ряд весьма сложных вопросов. Каковы были физические условия в момент Большого Взрыва? Что ему предшествовало? Крошечная Вселенная, лишенная вещества, которое потом неожиданно было создано из ничего? Почему это произошло? Во многих культурах бытует представление, что Бог создал Вселенную из ничего. Но это просто уход от вопроса. Если мы стремимся смело доискиваться до истины, то должны, конечно, спросить, откуда взялся Бог. И если решим, что вопрос не имеет ответа, то почему бы нам не отказаться от лишнего шага и сразу не признать, что вопрос о происхождении Вселенной неразрешим? Или, если мы согласимся, что Бог существовал всегда, почему не заключить сразу, что Вселенная существовала всегда?

В каждой культуре есть миф о мире до творения и о том, как мир возник, зачатый в результате соития богов или вылупившись из космического яйца. Как правило, Вселенная наивно уподобляется тому, что происходит с людьми и животными. Вот, к примеру, пять коротких фрагментов таких мифов, простых и весьма изощренных, бытующих в разных уголках тихоокеанского региона.

В самом начале все было погружено в вечную тьму: ночь окутывала все сущее, подобно непроходимой чаще (миф о Великом Отце племени аранда, Центральная Австралия).

378

Все пребывало в ожидании, покое и тишине; все замерло в неподвижном оцепенении; и пустынны были просторы неба (Священные письмена майя: Пополь-Вух).

На-Арин в одиночестве восседал в пространстве, подобно облаку, плывущему в небытии. Он не спал, ибо не было сна; он не голодал, ибо не было голода. Так продолжалось очень долго, пока к нему не пришла мысль. Он сказал себе: «Я создам вещь» (миф с атолла Майана, острова Гилберта).

Вначале было огромное космическое яйцо. Внутри яйца помещался хаос, и в нем плавал Паньгу, Неродившийся, божественный зародыш. Внезапно Паньгу вышел из яйца, и был он вчетверо больше любого нынешнего человека. В руках он держал молоток и зубило, которыми придал миру форму (миф о Паньгу, Китай, ок. III в.).

До того как земля и небо обрели форму, все оставалось неопределенным и аморфным... То, что было светлым и легким, поднялось вверх и стало небесами, а мрачное и тяжелое затвердело, образовав землю. Чистым и тонким материям легко удалось объединиться, но плотные вещества отвердевали с большим трудом. Поэтому небеса сформировались первыми, а земля обрела свою форму позднее. Когда небо и земля соединились в пустоте, из их необработанной простоты безо всякого сотворения появились вещи. Это было Великое Единение. От Великого Единения произошли все вещи, но все они оказались различными... (Китай, ок. I в. до н. э.)

Эти мифы делают честь смелой человеческой мысли. Главное различие между ними и нашим современным научным мифом о Большом Взрыве в том, что наука

379

сама себе задает вопросы и мы можем ставить эксперименты, проводить наблюдения для проверки наших идей. Но любой из приведенных рассказов о творении заслуживает глубокого уважения.

Все человеческие культуры сходятся на существовании природных циклов. Но откуда бы взяться циклам, думали люди, не будь на то воли богов? И если есть циклы, измеряемые годами для смертных, то почему бы не быть циклам, измеряемым зонами для богов? Индуизм — единственная из великих мировых религий, приверженная идее о том, что сам Космос переживает огромное, даже бесконечное число смертей и перерождений. Это единственная религия, чей временной масштаб, несомненно по чистой случайности, соответствует шкале современной космологии. Ее циклы простираются от наших обычных дня и ночи до дня и ночи Брахмы продолжительностью 8,64 миллиарда лет — это больше возраста Земли и Солнца и составляет около половины времени, прошедшего с момента Большого Взрыва. Подразумевает она и существование еще более длительных периодов времени.

Существует весьма глубокое и притягательное воззрение, будто Вселенная есть не что иное, как сновидение бога, который по прошествии ста лет Брахмы разлагает на части самое себя, впадая в сон без видений. Мир распадается вместе с ним до тех пор, пока, еще через сто лет Брахмы, бог не пошевелится, не воссоздаст свою сущность и не вернется к великим космическим грезам. Между тем где-то еще существует бесчисленное множество других вселенных, и в каждой божество видит свой собственный космический сон. Этим величественным идеям противостоит другая, возможно еще более величественная. Говорят, не исключено, что вовсе не люди снятся богам, а как раз наоборот, боги снятся людям.

380

В Индии много богов, и каждый имеет множество воплощений. Среди бронзовых статуй эпохи Чола*, отлитых в XI веке, есть несколько изваяний бога Шивы. Самая красивая и грандиозная из них представляет создание Вселенной в начале космического цикла, мотив, известный как космический танец Шивы. Бог, который в этом своем воплощении носит имя Натараджан, или Король Танца, имеет четыре руки. В верхней правой руке у него барабан, звук которого символизирует музыку творения. В верхней левой — язык пламени, напоминающий, что Вселенная, только что созданная, по прошествии миллиардов лет непременно будет уничтожена.

Мне нравится думать, что эти глубокие и поэтичные символы предвосхищают современные астрономические идеи**. То, что Вселенная начала расширяться в момент Большого Взрыва, весьма вероятно, но вовсе не очевидно, что ее расширение будет продолжаться вечно. Расширение может постепенно замедлиться, остановиться и обратиться вспять. Если количество вещества во Вселенной меньше некоторой критической величины, тяготения разбегающихся галактик окажется недостаточно, чтобы остановить расширение Вселенной, и оно будет длиться вечно. Но если помимо видимого нам вещества есть еще немало материи, скрытой в черных дырах или, например, в форме горячего, но невидимого межгалак-

* Династия Чола правила в Индии с 850 по 1275 г. — Пер. ** В надписях майя также встречаются даты, относящиеся к очень далекому прошлому, а иногда и к далекому будущему. Одна из надписей касается событий, происходивших более миллиона лет назад, другая, вероятно, заглядывает в прошлое на 400 миллионов лет назад, хотя на сей счет у специалистов по культуре майя нет единого мнения. Пусть увековеченные в надписях события являются мифологическими — удивителен сам масштаб временной шкалы. За тысячелетие до того как европейцы освободились от библейской идеи, что миру всего несколько тысяч лет, майя вели счет на миллионы лет, а индусы — на миллиарды. — Авт.

381

тического газа, тогда Вселенная окажется связана собственной гравитацией, и ее судьба будет напоминать индуистскую последовательность циклов, в которой расширение сменяется сжатием, одна вселенная — другой и так до бесконечности. Если мы живем в такой пульсирующей Вселенной, тогда Большой Взрыв — это не создание Космоса, а скорее исход предыдущего цикла, распад прежнего воплощения.

Ни одна из этих современных космологий не выглядит особенно привлекательной. Одна говорит, что Вселенная возникла около десяти или двадцати миллиардов лет назад и будет вечно расширяться, разгоняя галактики, пока последняя не исчезнет за нашим космическим горизонтом*. Тогда внегалактические астрономы потеряют работу, звезды остынут и умрут, сама материя распадется и Вселенная станет тонкой холодной дымкой из элементарных частиц**. Согласно другой теории — модели пульсирующей Вселенной — Космос не имеет ни начала, ни конца, мы находимся посреди бесконечного цикла космических смертей и перерождений, и никакая информация не сохраняется при переходе от одной пульсации к другой. Ни одна из галактик, звезд, планет, жизненных форм, цивилизаций, возникших в прошлом

* В наше время расширение Вселенной не приводит к уходу галактик за горизонт, поскольку сам горизонт Вселенной расширяется со скоростью света. — Пер.

** Судьба материи в открытой бесконечно расширяющейся Вселенной не совсем ясна. Такие объекты, как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, образованием которых завершается эволюция звезд, а также планеты и астероиды вполне способны существовать неограниченно долго. Существует, правда, гипотеза, что протон — основная частица, определяющая строение атомов, — может оказаться неустойчивой с периодом полураспада около 10³¹ лет. В таком случае по прошествии времени, в 10²² раз превышающего нынешний возраст Вселенной, в мире действительно не останется ничего, кроме очень небольшого количества излучения и легких элементарных частиц. — Пер.

382

воплощении Вселенной, не перетекает в нынешнюю реальность, ни одна не минует Большого Взрыва, чтобы обрести известность в настоящем мироздании. Судьба Вселенной в обоих вариантах космологии рисуется довольно безрадостной, но нам остается только искать утешение в масштабах времени, о которых идет речь. Все описываемые события занимают десятки миллиардов лет и даже больше. Человечество и наши потомки, кем бы они ни были, могут многого достигнуть за десятки миллиардов лет, остающихся до гибели Космоса.

Если Вселенная и в самом деле пульсирует, то возникает ряд еще более странных вопросов. Некоторые ученые думают, что, когда расширение сменится сжатием, когда спектры далеких галактик приобретут голубое смещение, произойдет инверсия причинности и следствие станет предшествовать причине. Сначала по воде разойдутся круги, а потом я брошу камень в пруд. Сперва загорится факел, а потом я его подожгу. Вряд ли мы сможем понять, что означает подобная инверсия причинности. Будут ли люди рождаться в могиле и умирать в чреве матери? Потечет ли время вспять? Имеют ли смысл все эти вопросы?

Ученые задаются вопросом, что случается в пульсирующей Вселенной в критический момент, когда сжатие уступает место расширению. Некоторые думают, что в этот момент происходит спонтанное изменение законов природы, что физика и химия, которые задают порядок в нашей Вселенной, — это всего-навсего одно из бесконечного разнообразия возможных сочетаний законов природы. Нетрудно показать, что лишь очень ограниченный диапазон законов природы допускает существование галактик, звезд, планет, жизни и разума. Если законы природы непредсказуемо изменяются в критические моменты, только невероятно редкое сов-

383

падение заставит космический игровой автомат выкинуть джекпот — породить вселенную, допускающую наше существование*.

Живем ли мы во Вселенной, которая будет бесконечно расширяться, или в той, что испытывает бесконечные циклические пульсации? Это можно выяснить, тщательно подсчитав общее количество вещества во Вселенной или попробовав разглядеть край нашего космоса.

Радиотелескопы способны обнаружить очень слабые и очень далекие объекты. Заглядывая в бездны пространства, мы устремляем свой взор в глубины времени. Ближайший квазар находится примерно в полумиллиарде световых лет**. Самый далекий, вероятно, в десяти или двенадцати миллиардах. Но глядя на объект, удаленный на двенадцать миллиардов световых лет, мы видим его таким, каким он был двенадцать миллиардов лет назад. Исследуя далекий космос, мы изу-

* Законы природы не могут случайно перетасовываться в критических точках. Ведь тогда на одной из множества пульсаций, которые прошла Вселенная, реализовался бы закон тяготения, неспособный вызвать сжатие Вселенной. Позволь Вселенная реализоваться такому закону тяготения, она стала бы бесконечно расширяться, лишившись возможности в будущем пройти очередную критическую точку и испытать новую пульсацию с иным набором законов природы. Отсюда можно сделать вывод, что либо Вселенная существует на протяжении конечного времени, либо на возможные физические законы, действующие на каждой ее пульсации, наложены строгие ограничения. Если физические законы не полностью произвольно меняются в критических точках, значит, должны существовать закономерности или правила, определяющие, какие законы допустимы, а какие нет. Такой набор правил стал бы частью новой физики, стоящей над той, что существует сейчас. Наш язык недостаточно богат; похоже, в нем нет подходящего названия для такой новой физики. Слова «парафизика» и «метафизика» уже задействованы для обозначения иных и, по всей видимости, совершенно бесперспективных видов деятельности. Возможно, подойдет слово «трансфизика». — Авт.

** В действительности ближайший известный квазар находится на расстоянии около 2 млрд. световых лет. — Пер.

384

чаем далекое прошлое, приближаемся к горизонту Вселенной, к эпохе Большого Взрыва.

В пустынном районе штата Нью-Мексико установлена система VLA (Very Large Array), состоящая из двадцати семи отдельных радиотелескопов. Электронные коммуникации соединяют телескопы в единую фазированную решетку, уподобляя их одному инструменту, в поперечнике достигающему десятков километров, что соответствует максимальному расстоянию между антеннами*. В радиодиапазоне VLA имеет разрешающую способность, то есть возможность различать тонкие детали объектов, сравнимую с крупнейшими наземными оптическими телескопами.

Иногда радиотелескопы соединяют с телескопами на другой стороне земного шара, увеличивая базу до размеров, сопоставимых с диаметром Земли. В некотором смысле получается телескоп размером с планету**. В будущем возможен вывод телескопов на гелиоцентрическую орбиту, чтобы они находились с другой стороны от Солнца. В результате получится радиотелескоп, сравнимый по размеру с внутренней частью Солнечной системы. Подобные телескопы могут раскрыть внутреннее строение и природу квазаров. Возможно, удастся найти эталонную свечу для квазаров и определить расстояние до них методом, независимым от их красных смещений. Разобравшись в строении самых далеких квазаров и природе их красного смещения, мы, возможно, узнаем, было ли расширение Вселенной быстрее миллиарды лет

* Антенны комплекса VLA могут перемещаться по рельсовым путям и при максимальном удалении друг от друга располагаются на территории поперечником 36 км. — Пер.

** Такая техника радиоастрономических наблюдений получила название радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). - Пер.

385

назад, не замедляется ли оно* и ожидает ли нашу Вселенную коллапс в будущем.

Современные радиотелескопы невероятно чувствительны. Мощность излучения, приходящего от далекого квазара, измеряется квадрильонными долями ватта. За все время наблюдения общее количество энергии, принятое земными радиотелескопами извне Солнечной системы, меньше энергии упавшей на землю снежинки. Занимаясь изучением космического микроволнового фона, подсчетами квазаров, поиском сигналов внеземных цивилизаций, радиоастрономы имеют дело с порциями энергии, которые столь малы, что кажутся едва существующими.

Часть вещества, например вещество звезд, светится в видимом диапазоне, и его легко обнаружить. Другая часть, скажем газ и пыль на окраинах галактик, обнаруживается не так легко. Она не излучает в видимом диапазоне, хотя, похоже, испускает радиоволны. Это одна из причин того, почему для разгадки космологических тайн мы вынуждены использовать экзотические инструменты и частоты, отличные от частот видимого света, который воспринимают наши глаза. Околоземные орбитальные обсерватории обнаружили интенсивное рентгеновское свечение, исходящее из пространства между галактиками. Первоначально считалось, что это све-

* В последнее время наблюдения вспышек далеких сверхновых говорят о том, что расширение Вселенной, возможно, не замедляется, а наоборот, ускоряется. Чтобы объяснить это неожиданное явление, приходится предположить, что физический вакуум, т. е. буквально само пространство Вселенной, содержит огромную скрытую энергию, которая создает в космологических масштабах эффект, противодействующий гравитации. Открытие космического вакуума, если оно подтвердится, повлечет за собой коренной пересмотр устоявшихся представлений о современном состоянии Вселенной. Оно ставит ряд новых принципиальных проблем как в космологии, так и в фундаментальной физике. — Пер.

386

тится горячий межгалактический водород, громадное количество, никогда раньше не наблюдавшееся, возможно достаточное для того, чтобы замкнуть космос и гарантировать, что мы пойманы в ловушку пульсирующей Вселенной. Однако недавние наблюдения Рикардо Джаккони, похоже, позволили разрешить рентгеновское свечение на отдельные точки, возможно неисчислимые орды далеких квазаров*. Они тоже вносят в массу Вселенной вклад, о котором не было известно раньше. Когда завершится космическая инвентаризация и будут суммированы массы всех галактик, квазаров, черных дыр, межгалактического водорода, гравитационных волн, а возможно, и более экзотического населения космоса, станет ясно, в какой Вселенной мы живем.

Обсуждая крупномасштабную структуру Вселенной, астрономы любят говорить, что пространство искривлено, что у Вселенной нет центра и что она конечна, но неограниченна. О чем они толкуют? Представьте, что мы живем в необычной стране, где все абсолютно плоское. Вслед за Эдвином Эбботом**, исследователем Шекспира, жившим в викторианской Англии, назовем ее Флатландией (от англ. flat — плоский. — Пер.). Некоторые из нас — квадраты, другие — треугольники, а кое-кто имеет более сложные очертания. Мы снуем мимо наших плоских домов, выходим, занимаемся своими плоскими делами и плоско развлекаемся. Все жители Флатландии имеют ширину и длину, но не имеют высоты. Мы знаем, что такое направо и налево, вперед и назад, но никто, кроме наших плоских математиков, не имеет ни малейшего представления о том, что есть верх и низ. Они говорят: «Послушайте, это в самом деле очень просто.

* Это открытие не подтвердилось. — Пер.

** Эббот Э. Флатландия. Бюргер Д. Сферландия. СПб.: Амфора, 2001.

387

Представьте себе движение влево-вправо. Теперь движение вперед-назад. Пока всё в порядке? Теперь вообразите другое измерение, под прямым углом к нашим двум». А мы отвечаем: «Что вы несете? Как это „под прямым углом к нашим двум"?! Существуют только два измерения. Покажите нам третье измерение. Где оно?» И математики в унынии удаляются. Никто не слушает математиков.

Любое квадратное существо во Флатландии видит другое квадратное существо как короткий отрезок — ближайшую к наблюдателю сторону квадрата. Чтобы узреть другую сторону квадрата, надо обойти вокруг него. Однако внутренность квадрата всегда остается загадочной, если только трагический несчастный случай или вскрытие трупа не разрушает периметр, выставляя напоказ внутренние части.

Однажды трехмерное создание, формой напоминающее, допустим, яблоко, зависло над Флатландией. Наблюдая за особенно привлекательным квадратом, входящим в свой плоский дом, яблоко решило поприветствовать его, чтобы наладить дружеские контакты между измерениями. «Как поживаете? — спросил гость. — Я пришелец из третьего измерения». Несчастный квадрат оглядел свой запертый дом и никого не увидел. Но хуже всего, что ему показалось, будто приветствие, пришедшее сверху, исходит изнутри его собственного тела, как внутренний голос. Небольшие психические отклонения встречались в его семье, напомнил он себе, приободряясь.

Раздраженное тем, что его приняли за психическую аберрацию, яблоко опустилось во Флатландию. Но лишь часть трехмерного создания может пребывать во Флатландии. Разглядеть удается только его сечение, те точки, которые входят в контакт с плоской поверх-

388

ностью Флатландии. Пересекая Флатландию, яблоко сначала обозначилось как точка, а потом как увеличивающегося размера круги. Квадрат в своем двумерном мире увидел появившуюся в запертой комнате точку, которая, медленно раздаваясь, выросла в круг. Создание странной меняющейся формы возникло из ниоткуда.

Досадуя на бестолковость плоского существа, яблоко толкнуло квадрат и выбросило его, дрожащего и вращающегося, вверх, в загадочное третье измерение. В первый момент квадрат не мог осознать происходящего, которое напрочь выходило за рамки его опыта. Но постепенно он понял, что обозревает Флатландию в очень странном ракурсе — «сверху». Он видел, что делается в закрытых комнатах. Он мог заглянуть внутрь своих плоских приятелей. Его мир предстал перед ним в странной и невероятной перспективе. Путешествие в другое измерение дает неожиданные преимущества, своего рода рентгеновское зрение. В конце концов, подобно падающему листу, наш квадрат медленно опустился на поверхность. С точки зрения соседей-флатландцев он непостижимым образом исчез из запертой комнаты, а затем, ко всеобщему недоумению, материализовался из ниоткуда. «Ради бога, — приступили к нему с вопросами, — что с тобой случилось?» — «Думаю, — отвечал он неожиданно для себя, — я был „наверху"». Его похлопали по бокам, чтобы успокоить. Многие в его семье страдали галлюцинациями.

В размышлениях о том, как соотносятся разные измерения, нам не следует ограничиваться двумерным случаем. Вслед за Эбботом мы можем вообразить одномерный мир, где все существа представляют собой отрезки, или даже очаровательный нульмерный мир, населенный точками. Но, пожалуй, вопрос о более высоких раз-

389

мерностях все же интереснее. Может ли существовать четвертое физическое измерение?*

Мы можем представить себе построение куба следующим образом. Возьмем отрезок определенной длины и переместим его перпендикулярно самому себе на расстояние, равное его длине. Получится квадрат. Переместив квадрат на такое же расстояние под прямым углом к самому себе, мы получим куб. Известно, что куб отбрасывает тень, которую мы обычно изображаем, рисуя два квадрата с соединенными вершинами. Изучая двумерную тень куба, мы замечаем, что не все отрезки выглядят равными и не все углы — прямыми. Трехмерный объект нельзя без искажений представить в двух измерениях. Такова цена потери измерения при получении геометрической проекции. Теперь возьмем наш трехмерный куб и переместим его под прямым углом к самому себе в четвертом измерении: не слева направо, не сверху вниз, не вперед или назад, но одновременно под прямым углом ко всем этим трем направлениям. Я не могу показать это направление, но я могу представить себе, что оно существует. В результате мы построим четырехмерный гиперкуб, или тессеракт. Я не в силах продемонстрировать вам тессеракт, поскольку мы ограничены тремя измерениями. Но могу показать его трехмерную тень. Она напоминает два вложенных куба, вершины которых

* Если бы существовали четырехмерные создания, то они могли бы по своему произволу возникать в нашем трехмерном мире, исчезать из него, удивительным образом менять форму, похищать нас из запертых комнат и заставлять появляться из ниоткуда. Им бы ничего не стоило вывернуть нас наизнанку. Существует несколько способов, которыми это можно сделать. Самый неприятный из них привел бы к тому, что наши внутренние органы оказались снаружи, а целая Вселенная — светящийся межгалактический газ, галактики, планеты и все остальное — внутри. Меня не слишком вдохновляет такая перспектива. — Авт.

390

попарно соединены отрезками. Однако в настоящем тессеракте, в четырех измерениях, все отрезки будут иметь одинаковую длину и располагаться под прямыми углами друг к другу.

Нарисуйте в своем воображении вселенную, во всем похожую на Флатландию с тем лишь исключением, что ее двумерный мир искривлен в третьем физическом измерении, но обитатели об этом ничего не знают. Когда флатландцы предпринимают небольшие путешествия, их мир выглядит совершенно плоским. Но если кто-то из них достаточно долго следует вдоль линии, которая кажется ему идеально прямой, то сталкивается с удивительной загадкой: он не встретил никакого препятствия и никуда не сворачивал, но непонятно как возвратился туда, откуда вышел. Его двумерная вселенная должна быть каким-то образом свернута или изогнута в загадочном третьем измерении. Он не может представить это третье измерение, но способен догадаться о его существовании. Увеличьте все размерности в этой истории на единицу, и вы получите ситуацию, применимую к нам.

Где находится центр Вселенной? Есть ли у нее край? Что находится за ее границами? В двумерной вселенной, искривленной в третьем измерении, нет центра — по крайней мере, на поверхности сферы. Центр такой вселенной не находится в самой этой вселенной. Он лежит в недоступном третьем измерении, внутри сферы. Хотя площадь поверхности сферы конечна, у нее нет края — она конечна, но не ограничена. И поэтому вопрос о том, что лежит за ее границами, лишен смысла. Плоские создания не могут самостоятельно покинуть свои два измерения.

Добавьте еще одно измерение и примерьте эти рассуждения к нам самим: Вселенная будет четырехмерной гиперсферой без центра и без границ, а значит, за ее

391

пределами ничего нет. Почему кажется, что все галактики удаляются от нас? Гиперсфера расширяется из точки, подобно надуваемому четырехмерному воздушному шару, и с каждой минутой пространства во Вселенной становится больше. Спустя некоторое время после начала расширения формируются галактики, и теперь поверхность гиперсферы несет их вовне. В каждой галактике есть астрономы, а свет, который они видят, распространяется по искривленной поверхности гиперсферы. Поскольку сфера расширяется, астрономы в любой галактике будут думать, что другие галактики удаляются от них. Не существует привилегированной системы отсчета*. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Галактики как бы приклеены к пространству, но сама ткань пространства расширяется. И ответ на вопрос о том, где в современной Вселенной произошел Большой Взрыв, очевиден: везде.

Если материи недостаточно для того, чтобы предотвратить бесконечное расширение Вселенной, то Вселенная должна иметь открытую геометрию: в нашей трехмерной аналогии это подобие седла, поверхность которого простирается в бесконечность. Если материи достаточно много, то Вселенная замкнута и изогнута подобно сфере в трехмерной аналогии. Коль скоро Вселенная замкнута, свет заточен в нее, как в ловушку. В 1920-х годах в направлении, прямо противоположном М31, наблюдатели обнаружили пару далеких спиральных галактик. Тогда они задумались: а вдруг это Млечный Путь и М31, видимые с другой стороны — как вы могли бы увидеть собственный затылок, уловив свет, обошедший по кругу всю Вселенную? Мы теперь знаем, что Вселенная

* Точку зрения, что Вселенная выглядит в общем и целом одинаково, откуда бы ни велось наблюдение, первым выдвинул Джордано Бруно. — Авт.

392

намного больше, чем считалось в 20-е годы. На кругосветное путешествие по ней потребуется время, намного превышающее ее возраст. В то же время галактики моложе Вселенной. Но если Вселенная замкнута и свет не может ее покинуть, то совершенно корректно говорить о ней как о черной дыре. Если вы хотите знать, какова черная дыра изнутри, оглядитесь вокруг себя.

Мы уже упоминали про возможность существования червоточин — путей, ведущих из одного места Вселенной в другое в обход разделяющего их расстояния, через черные дыры. Можно представлять себе эти червоточины как трубы, проложенные через четвертое физическое измерение. Неизвестно, существуют ли червоточины на самом деле. Но если они существуют, то всегда ли соединяют разные места нашей Вселенной? Или все-таки возможно, что червоточины ведут в иные вселенные, места, которые без них всегда оставались бы недоступными для нас? Судя по тому, что мы знаем, может существовать множество вселенных. Не исключено, что они в каком-то смысле вложены одна в другую.

Есть идея — странная, навязчивая, провокационная — одна из самых утонченных догадок в науке и религии. Она совершенно не поддается проверке и, вероятно, никогда не будет доказана. Но она будоражит. Существует, как мы сказали, бесконечная иерархия вселенных, и может статься, что, сумей мы проникнуть внутрь элементарной частицы, такой как электрон в нашем мире, она сама оказалась бы целой замкнутой вселенной. Внутри, собранные в здешние эквиваленты галактик и других, менее крупных образований, находятся в огромном количестве еще более мелкие элементарные частицы, которые сами есть вселенные следующего уровня, и так далее — бесконечная регрессия вселенных, вложенных одна в другую. И такая же прогрессия, устрем-

393

ленная в другую сторону. Знакомая нам Вселенная со всеми галактиками, звездами, планетами и людьми может оказаться одной элементарной частицей во вселенной более высокого уровня — первым шагом в бесконечной цепочке.

Это единственная известная мне религиозная идея, превосходящая по своей грандиозности бесконечно старую циклическую вселенную индуистской космологии. На что могут быть похожи те, другие, вселенные? Действуют ли в них иные физические законы? Существуют ли в них звезды, галактики и планеты или что-то совершенно иное? Могут ли в них возникнуть какие-то иные, невообразимые формы жизни? Чтобы попасть туда, нам нужно как-то проникнуть в четвертое физическое измерение — непростое, без сомнения, предприятие, но, возможно, черные дыры откроют нам путь. Кто знает, может быть, в окрестностях Солнечной системы найдутся небольшие черные дыры. Подойдя к краю вечности, мы бросили бы ей вызов.