Кратчайшая история Вселенной. От Большого взрыва до наших дней (в сверхдоступном изложении): читать начало книги онлайн

Во время термоядерного синтеза температура в центре звезды достигает минимум 10 миллионов градусов по Кельвину (примерно в 25 000 раз выше температуры жаркого летнего дня). Через три минуты после Большого взрыва впервые появилось несколько новых химических элементов.

Во Вселенной возникли миллиарды звезд. Звезды первого поколения, появившиеся 50–100 миллионов лет назад, были огромными, поскольку вокруг них находилось много газа – объемами примерно в 100–1000 раз больше нашего Солнца. Из-за своих размеров те звезды существовали не более нескольких миллионов лет. Однако, когда они взрывались, их материал всасывали звезды второго поколения, которые были меньше размером, но могли жить дольше – миллиарды лет.

Под действием гравитации звезды начали притягиваться друг к другу и образовали скопления протяженностью от 30 до 300 световых лет. Звездные скопления сливались в еще более крупные образования. В период 13,7–10 миллиардов лет назад такие слияния продлились до нашего сегмента космоса, создавая Млечный Путь, протяженность которого составляет примерно 100 000 световых лет. В нашей галактике находится около 200 миллиардов звезд. Тот же процесс слияния звездных скоплений происходил по всей Вселенной, образовав предположительно 400 миллиардов галактик, существующих в наблюдаемой Вселенной.

За период 13–10 миллиардов лет назад возникли различные виды галактик. Спиральные галактики (такие, как наш Млечный Путь) составляют 60 % от предполагаемых 400 миллиардов галактик наблюдаемой Вселенной. Именно в них формируется подавляющая часть звезд. Однако выпуклая центральная часть спиральных галактик содержит настолько высокую концентрацию звезд, что условия там неблагоприятны для зарождения жизни, слишком часто происходят сверхновые разрывы. Только в рукавах спиральных галактик, куда сместилась наша Солнечная система, звездные системы достаточно удалены друг от друга, чтобы возникла жизнь.

Линзовидные галактики (например, галактика Сомбреро) имеют такую же выпуклость, но без рукавов. Они составляют примерно 15 % галактик во Вселенной, и в них формируется очень мало звезд.

Эллиптические галактики (такие, как Геркулес А) не имеют выпуклости в центре, звезды в них распределены более равномерно. Это умирающие галактики, где почти не возникают новые звезды. Эллиптических галактик во Вселенной около 5 %.

Млечный Путь

©NASA/JPL–Caltech / R. Hurt (SSC/Caltech) via Wiki media Commons

Нерегулярные галактики – это куча-мала из галактик неправильной формы, которые сложно классифицировать. Их примерно 20 % от общего количества галактик Вселенной. Большинство нерегулярных галактик небольшие и, как правило, деформируются под воздействием гравитационного притяжения другой галактики. Форма некоторых из них в настоящее время не имеет убедительного объяснения.

Что касается количества галактик в наблюдаемой Вселенной, то общепринятой оценкой является 400 миллиардов. Однако последние исследования показывают, что их число может составлять от 1 до 10 триллионов. Такое – значительно большее – число повышает вероятность появления где-нибудь там сложной жизни. Каждая галактика может содержать миллионы, миллиарды или даже триллионы звезд. Это еще несколько бросков игрального кубика эволюции.

Размер звезды определяет продолжительность ее жизни, поскольку от размера зависит, как быстро звезда сжигает свое топливо. Звезды, размер которых в восемь раз превышает размер Солнца, становятся сверхновыми. Звезды меньше этого размера умирают, не взрываясь и не создавая более тяжелых элементов. Самые крупные звезды горят всего несколько миллионов лет, звезды немного меньшего размера могут светить несколько сотен миллионов лет, звезды поменьше могут существовать несколько миллиардов лет, а жизнь самых маленьких медленно горящих звезд может длиться от 100 миллиардов до нескольких триллионов лет.

Звезды первого поколения, образовавшиеся после Большого взрыва, были гигантскими и взорвались миллиарды лет назад. Второе поколение звезд, сформировавшееся из продуктов взрыва первого, содержало тяжелые элементы, которые были созданы в недрах звезд первого поколения. Большинство звезд второго поколения тоже погибло за последние 13 миллиардов лет, но многие из них все еще можно обнаружить во Вселенной и в пределах галактики Млечный Путь.

Возраст третьего поколения звезд составляет всего несколько миллиардов лет. Они содержат огромное разнообразие тяжелых элементов, созданных в предыдущих двух поколениях. Кроме того, вокруг звезд третьего поколения, по всей вероятности, вращается больше планет, поскольку в избытке присутствующие частицы элементов могли образовать кольца пыли и в конечном итоге превратиться в планеты. Соответственно, звезды третьего поколения (как наше Солнце) являются наиболее выгодной ставкой в пари о дальнейшем усложнении.

Наше Солнце относится к типу звезд «желтый карлик». Такие звезды существуют от 4 до 15 миллиардов лет, их всего 10 % от общего количества звезд во Вселенной. Звезды немного меньшего размера, называемые оранжевыми карликами, живут 15–30 миллиардов лет и составляют еще 10 %. Красные карлики – самые маленькие звезды (около 5–50 % массы Солнца), составляющие 70 % всех звезд во Вселенной. Красные карлики могут существовать сотни миллиардов лет, даже триллионы, в зависимости от того, насколько они малы и как медленно горят. Ни одна из таких звезд не взрывается в сверхновую, а медленно сгорает до конца и гаснет.

Когда звезда, подобная нашему Солнцу, сжигает все свое водородное и гелиевое топливо, начинают гореть все более тяжелые элементы ее ядра. В результате этого процесса желтые карлики раздуваются, как рыба-шар, когда отпугивает хищника, и превращаются в красных гигантов. Еще через миллиард лет или около того они сдуваются и становятся белыми карликами – остатками звезд, подобных нашим, в ядрах которых перестали соединяться атомы. Они существуют еще несколько миллионов лет, прежде чем окончательно погаснуть. Красные гиганты и белые карлики составляют примерно 5 % звезд во Вселенной.

Оставшиеся 5 % звезд встречаются гораздо реже, но играют значительно более существенную роль в усложнении структур. Это звезды, которые взрываются и создают взрыв сверхновой. Сверхгиганты горят всего от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов лет (в зависимости от их размера). Они способны сплавить атомы элементов всей периодической таблицы вплоть до железа – двадцать шестого элемента. Соответственно, ядра сверхгигантов не пылают достаточно горячо, чтобы сплавить что-то более тяжелое. Как только у сверхгигантов заканчивается топливо, их массивная структура разрушается, порождая яркую вспышку – сверхновую звезду. Сверхновая горит с такой высокой температурой, что в процессе горения образуются даже более тяжелые элементы, такие как золото, серебро и уран. Сверхновые обеспечивают формирование 92 природных химических элементов Вселенной. Тот факт, что некоторые элементы (например, золото) существуют только благодаря сверхновым вспышкам менее чем 5 % звезд, объясняет, почему эти элементы являются такими редкими.

Когда сверхгиганты взрываются и создают взрыв сверхновой, они оставляют после себя мертвые остатки в виде нейтронных звезд. Нейтронные звезды исключительно плотные, тяжелые и горят не очень ярко. Если две нейтронные звезды врезаются друг в друга, они могут создать даже больше тяжелых элементов. Кроме того, они очень маленькие – всего несколько десятков километров в ширину. Огромная масса в столь небольшом пространстве серьезно увеличивает риски их превращения в черные дыры.

Черная дыра – это, по сути, сгусток материи такой большой массы, что собственная гравитация втягивает ее в себя. Сила притяжения черных дыр начинает втягивать в себя окружающую их материю, искажая сопредельное пространство. Хотя черные дыры могут быть просто огромными клубками материи, есть несколько гипотез о том, что черные дыры искривляют пространство и время вокруг себя настолько, что могут иметь необычные свойства. Например, они могут разрушать законы физики, делать течение времени прерывистым и, возможно, даже устанавливать связь с другими измерениями или другими вселенными.

На сегодняшний момент в периодической таблице насчитывается 118 элементов. Если первые девяносто два элемента встречаются по всей Вселенной, то любой из высших элементов, образующихся в природе, практически сразу вырождается в низшие формы. Высшие элементы были созданы в научных лабораториях, последний из них – 118-й элемент Og, оганесон, получила российско-американская научная группа в 2002 году.

Сложность нарастала внутри звезд, пока они проходили свои жизненные циклы. Затем звезды умирали и снова выбрасывали эти элементы во Вселенную. Они станут строительными блоками для дальнейшего усложнения структур, практически бесконечного количества комбинаций химических веществ. На сегодня насчитывают от 60 до 100 миллионов разнообразных химикалий.

Химическое вещество строится из комбинации элементов, объединенных в более высокую структуру – молекулу. Соединение атомов может сложить такую структуру, как H₂O (два атома водорода и один атом кислорода) – получится вода; или SiO₂, (один атом кремния и два атома кислорода) – получится кварц, самый распространенный минерал на Земле; или создать искусственную структуру, например C₂H₄ (два атома углерода, четыре атома водорода) – получится полиэтилен, самый привычный в нашем мире пластик.

Кроме того, существуют и более сложные химические вещества, такие как органические белки, которые представляют собой огромные клубки из тысяч атомов. К примеру, белок под кратким названием «титин» обеспечивает эластичность мышц. Его химическая формула – C₁₆₉₇₂₃H₂₇₀₄₆₄N₄₅₆₈₈O₅₂₂₄₃S₉₁₂. Полное терминологическое название этого химического вещества состоит примерно из 190 000 букв, и, чтобы произнести его вслух целиком, потребуется три-четыре часа. Таков огромный масштаб возможностей для усложнения структур, когда элементы начинают объединяться в молекулы! Очень сложны и химические формулы оснований ДНК (аденин, гуанин, цитозин и тимин), которые кодируют генетические признаки и позволяют живым организмам самовоспроизводиться, эволюционировать и жить.

Как только девяносто два природных элемента космоса возникли и начали складывать разнообразные химические соединения, Вселенная получила все необходимые составляющие для формирования сложного мира, который мы видим вокруг себя сегодня.

Однако что означает понятие «сложность»?

Объединяющей закономерностью истории на протяжении 13,8 миллиарда лет является возрастающая сложность систем. Это процесс, который создал нас, и мы в свою очередь его продолжаем. После Большого взрыва появились первые частицы материи, которые постепенно превратились в звезды. Звезды создали все химические вещества, составляющие нашу Землю (включая жизнь). Тот же процесс усложнения определяет историю человечества – от собирательства к древнему земледелию и вплоть до современности. В хаосе истории очень редко можно проследить нить, проходящую через все события от начала до конца. Нарастающее усложнение – единственная тенденция, обнаруженная на сегодняшний день.

Сложная вещь состоит из материи, замысловато сотканной, как гобелен. Она сохраняет свою форму благодаря потокам энергии, которые ее питают. Например, звездам требуется газ для сжигания. Людям требуется пища. Мобильным телефонам нужны батареи. Это один и тот же принцип: всем и всему нужны потоки энергии, чтобы не умереть. Это общее правило усложнения по всей Вселенной.

Материя и энергия родились в раскаленном добела пятнышке Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Там с самого начала находились все составляющие всего того, что мы видим вокруг себя. История всей Вселенной сводится к истории их непрекращающейся трансформации в новые и великолепные формы.

После Большого взрыва во Вселенной не появилось новой материи и энергии. Это действующий в полную силу первый закон термодинамики: ничто новое не возникает, равно как и ничто старое не разрушается полностью. Это означает, что атомы, составляющие ваше тело, существовали в той или иной форме с начала Вселенной и продолжали существовать и развиваться в космосе на протяжении 13,8 миллиарда лет. Соответственно, вам в определенном смысле 13,8 миллиарда лет.

Кроме того, после вашей смерти эти атомы разлетятся в разные стороны и снова будут эволюционировать во Вселенной. С определенной точки зрения мы и есть Вселенная, единая совокупность, и нам выпало счастье – на короткое время – стать ее сознательной частью, как будто Вселенная смотрит на себя в зеркало.