Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

© Масленников К. Л., перевод на русский язык, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Предисловие

Несколько последних десятилетий подарили миру великолепную плеяду учёных (одно перечисление их имён заняло бы слишком много места), которые много рассказывают о своих исследованиях и открытиях широкому кругу людей, не принадлежащих к научному сообществу. Всех этих учёных, кроме дара покорять слушателей всех возрастов и вкусов, объединяет одно: у них всегда наготове великолепные космические фото. При этом, как ни странно, если вы попробуете сравнить области научной деятельности многих из этих блестящих публичных людей, окажется, что далеко не все они занимаются астрономией. Выходит, что даже те учёные, которые, может, и к телескопу-то никогда близко не подходили, стараются привлечь наше внимание фотографиями далёких галактик и светящихся облаков межзвёздной пыли.

Людей всегда зачаровывает ночное небо, так что нет ничего странного в том, что мы в восхищении замираем перед этими снимками. Упорядоченная красота звёзд вызвала к жизни само слово космос. Сегодня «космос» и «Вселенная» – синонимы. И если слово «Вселенная» буквально означает «всё сущее», то на практике оно подразумевает «всё сущее там» – за пределами Земли. Космологи – учёные, которые изучают космос – всегда обращают свои телескопы именно к звёздам.

Вселенная невероятно огромна, и поэтому слово «космос» вызывает представление о гигантских масштабах. И, хотя космос по определению включает в себя всё вплоть до муравьёв, песчинок и отдельных атомов, при его изучении эти мелочи не принимаются во внимание. А если смотреть на мир через объектив, оставляющий в поле зрения только гигантские объекты вроде планет, звёзд и чёрных дыр, то наука о космосе сводится к упорядоченной системе физических теорий и законов. С такой точки зрения Вселенная предстаёт идеально отрегулированной машиной, предсказуемой и постоянной. И в целом мы хорошо представляем себе, как эта машина работает.

Но одной из величайших неожиданностей в истории науки оказалось то, что кажущаяся упорядоченность космоса проявляется не на любом его масштабе. Казалось бы, можно ожидать, что нечто огромное, но далёкое будет вести себя так же, как маленькое, но очень близкое. Телескоп увеличивает крохотные изображения далёких объектов, микроскоп – изображения мельчайших объектов, расположенных вблизи. Но когда мы глубоко заглядываем в мир очень малых тел, мы обнаруживаем, что он устроен совершенно иным, незнакомым нам образом, непредсказуемым и контринтуитивным, и законы его во многом абсолютно непохожи на те, что действуют в космосе. На очень малых масштабах нам открывается квантовый мир.

Слово квант возникло при разработке новой ветви современной физики, когда в начале XX века понадобилось объяснить результаты экспериментов с объектами гораздо меньшими, чем ещё можно разглядеть в самые мощные микроскопы. Это был новый мир – мир атомов, квантовый мир. Он оказался недоступен прямому наблюдению, он привёл нас к пониманию происхождения и взаимодействия химических элементов, а в конечном счёте и самих звёзд.

Квантовая физика – не только основа всей современной техники. Она служит связующей нитью между всеми областями естественнонаучного знания. Но в чисто теоретическом плане она необыкновенно сложна для понимания. Мы не ставим перед собой задачу вооружить читателей глубоким знанием квантовой физики, которое позволило бы им разрабатывать свои собственные теории или технические решения. Мы хотим, чтобы читатель проникся пониманием того, как эта наука связывает нас с космосом.

Эта книга – о квантах и космосе, двух крайностях, доступных человеческому пониманию. Мир квантов – мир сверхмалых корпускул, мир атомов и электронов, мир фундаментальных сил и фундаментальных частиц, кирпичиков в здании всего сущего. Космос – это «всё сущее», Вселенная, триллионы звёзд и галактик, пространство, расширяющееся от огненного мига своего рождения в бесконечное будущее. Эти две сущности кажутся совершенно разными, но читая эту книгу, вы увидите, что они внутренне связаны: жизнь Вселенной на самых больших масштабах неотделима от квантовых взаимодействий на масштабах мельчайших.

Мы проанализируем наше современное понимание Вселенной и увидим, каким образом именно мельчайшие её части могут определять наши теории её поведения в крупнейшем масштабе. Мы погрузимся в глубокое прошлое и заглянем в дали будущего, любуясь этим космическим шоу сквозь оптику квантового мира. И хотя невозможно представить себе более далёкие друг от друга масштабы, чем квантовые и космические, только объединение этих масштабов раскрывает нам истинную красоту космоса.

Крис Ферри и Герайнт Ф. Льюис,

Сидней, Австралия, 2021

Кванты и космос

Кто-то сказал, что самое невероятное во Вселенной – то, что мы способны её понять. Конечно, не до конца. По крайней мере, пока не до конца.

Многое во Вселенной остаётся тёмным и таинственным. Но для едва развившихся обезьян, чья цивилизация насчитывает всего несколько тысяч лет по сравнению с миллиардами космического времени, мы всё-таки кое-чего достигли!

За последние несколько столетий мы успешно расшифровали большую часть языка Вселенной. Мы обнаружили, что законы, которые управляют происходящими в мире изменениями и взаимодействиями, записываются не словами, а уравнениями. С первых же побед, одержанных 400 лет назад Галилеем, Кеплером и Ньютоном, Вселенная постепенно, шаг за шагом выдавала нам свои математические секреты. Таинственные на первый взгляд электричество и магнетизм, вещество и свет, теплота и энергия были изучены, определены, объяснены и наконец выражены прекрасными формулами.

К концу XIX века стало казаться, что конец этого пути уже близок. Лорду Кельвину, великому физику того времени, приписывают фразу: «В физике больше открывать нечего». Всё, что оставалось, – непрерывно повышать точность одних и тех же измерений[1].

Но эта уютная научная картина Вселенной уже готова была рухнуть. Начало серии научных революций пришлось на рубеж XIX и XX столетий, когда сорокадвухлетний немецкий физик Макс Планк попытался постичь глубинный смысл мироустройства.

Планк пытался понять, почему при нагревании вещество начинает светиться. Конечно, многие предметы просто вспыхивают: происходит химическая реакция, при которой одна субстанция превращается в другую. Но… вы когда-нибудь видели, как кузнец подковывает лошадь? Или – что происходит с кочергой, если её подольше подержать в печи? Да, раскалённый металл светится. Сначала рубиново-красным, а если нагреть сильнее – может раскалиться и добела. Чем же определяется цвет нагретого металла?

Планк не пытался объяснить это явление какими-то расплывчатыми словами. Нет, всё должно быть описано точно и конкретно. Почему красного настолько больше, чем голубого? Вы же помните: при нагревании вещество становится красным и только потом белеет. Вашему «внутреннему ребёнку» не даёт покоя вопрос: почему?

Планк был не первым, кто пытался ответить на эту загадку, но все, кто пробовал сделать это раньше, претерпели неудачу. Они выводили свои математические формулы для цвета раскалённого металла, основываясь на законах Вселенной – насколько они эти законы понимали. Они знали, что свет появлялся, когда мельчайшие электрические заряды внутри металла (мы теперь называем их электронами) вибрировали, колебались из стороны в сторону.

Вибрирующие заряды излучают свет. При нагревании металла эти крохотные заряды получали больше энергии, и из-за этого вибрировали яростнее, испуская при этом больше света. Учёные понимали, что цвет излучения внутренне связан с колебаниями зарядов, и установить, как именно энергия нагрева заставляет заряды вибрировать, было принципиально важно для их вычислений. Но к несчастью, математика не срабатывала. Учёные могли правильно вычислить количество красного света – света с более низкой энергией и большей длиной волны. Однако у голубого света больше энергии, и теоретически его должно быть больше. Те же формулы предсказывали и другое: что должно быть излучение с ещё более высокими энергиями, чем у голубого света: ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи. А опыты этого не подтверждали! «Ультрафиолетовая катастрофа» свидетельствовала о крахе нашего понимания физического мира.

Планк тоже был на грани неудачи. И здесь ему в голову пришло нечто радикальное. Вообще-то это было на него не похоже: он, как написал позже в его некрологе коллега-физик Макс Борн, был человеком консервативным, скептиком, не любившим умозрительных гипотез. Радикализм ему присущ не был. Но он чувствовал, что у него не было выбора[2]. И он заключил, что законы физики, как он их понимал, не в силах решить проблему цвета раскалённого металла.

Гипотеза квантов

Озарение, посетившее Планка, заключалось в том, чтобы рассматривать вибрации зарядов как дискретные – разбитые на неделимые порции. Слово «дискретный» может показаться странным, но его смысл легко представить себе, если провести аналогию с деньгами. Представьте, что у вас есть пачка долларовых бумажек. Если попросить вас отсчитать сколько-то денег из этой пачки, это всегда будет только целое число долларов: $0, $1, $2… Имея пачку долларовых банкнот, вы никогда не сможете отсчитать $1.23 – если только не начнете рвать бумажки на части, что вряд ли можно считать удачной мыслью!

Планк предположил, что колебания зарядов в нагретом веществе происходят дискретно, и мы считаем их так же, как доллары из пачки, а вибрации на доли этих дискретных единиц запрещены. Такие слова, как «запрещены», возможно, звучат немного странно, когда мы говорим о физических законах и теориях, но мы просто хотим сказать, что Планк записал эти правила на математическом языке, желая посмотреть, что из них следует. Он не знал, почему законы должны быть именно такими.

К его изумлению, оказалось, что новые законы работают! Цвет нагретого металла был в точности таким, как его описывали математические уравнения для планковских колеблющихся зарядов. Проблема заключалась в том, что новый подход шёл вразрез с принятыми представлениями. За 250 лет до этого Ньютон предложил описывать физический мир при помощи дифференциального исчисления, и невероятный успех этого подхода заставил всех учёных укрепиться в одной мысли: мир и всё, что в нём есть, непрерывны. Всё можно разделить на половинки, половинки – на четвертинки, и так далее, опять и опять, бесконечно. То, что на этом пути можно прийти к какому-то концу, к пределу, за которым, как предположил Планк, окажутся только неделимые дискретные частицы, было неприемлемым произволом, безобразным искажением идеального мира, в котором, казалось, отражалась математическая красота бесконечного.

[1] Лорд Кельвин и его предсказание конца физики: История науки всегда отличалась запутанностью. Точно неизвестно, говорил ли действительно Кельвин эти знаменитые слова о конце науки. Но он, так или иначе, был глубоким и парадоксальным учёным. См. David Saxon, “In Praise of Lord Kelvin,” Physics World, December 17, 2007, https://physicsworld.com/a/in-praise-of-lord-kelvin.

[2] Консервативный Планк: Эту легенду кратко и ярко описал сотрудник и друг Макса Планка (а также один из основателей квантовой теории) Макс Борн в статье “Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858–1947”, Obituary Notices of Fellows of the Royal Society 6, no. 17 (November 1948): 161–88, https://doi.org/10.1098/rsbm.1948.0024. [Русский перевод: Борн М. Макс Карл Эрнст Людвиг Планк // Борн М. Размышления и воспоминания физика. – М.: Наука, 1977. – С. 50–78. – Прим. пер.].