Вселенная из ничего

Краусс Лоуренс

История о том, как эти систематические эффекты были преодолены, слишком длинная и запутанная, чтобы описывать ее здесь, и, в любом случае, больше не имеет значения, потому что у нас теперь есть гораздо лучший метод оценки расстояний.

Одна из моих любимых фотографий с космического телескопа Хаббл показана ниже:

На ней показана красивая спиральная галактика, далеко далеко, давным-давно (давным-давно, потому что свету от этой галактики требуется некоторое время — более 50 миллионов лет — чтобы до нас добраться). В спиральной галактике, такой как эта, напоминающей нашу собственную, около 100

миллиардов звезд. В ярком ядре в ее центре содержится, возможно, 10 миллиардов звезд. Обратите внимание на звезду в левом нижнем углу, светящую с яркостью, почти равной яркости этих 10 миллиардов звезд. Увидев ее впервые, вы могли бы разумно предположить, что это гораздо более близкая звезда в нашей галактике, которая случайно попала в кадр. Но на самом деле, это звезда из той же далекой галактики, более чем в 50 миллионах световых лет от Земли.

Разумеется, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, сверхновая, один из самых ярких фейерверков во Вселенной. Когда звезда взрывается, она в течение короткого времени (приблизительно месяц) светит в видимом свете с яркостью 10 миллиардов звезд.

К счастью для нас, звезды не взрываются столь часто, примерно раз в сто лет в галактике. Но нам повезло, что они взрываются, потому что, если бы не это, нас бы здесь не было. Один из самых поэтичных фактов, которые я знаю о Вселенной, что, по сути, каждый атом в вашем теле произошел из звезды, которая взорвалась. Более того, атомы в левой руке, возможно, произошли из одной звезды, а в правой — из другой. Мы все, буквально, звездные дети, и наши тела сделаны из звездной пыли.

Откуда мы это знаем? Что ж, мы можем экстраполировать нашу картину Большого взрыва назад в то время, когда Вселенной было около 1 секунды, и мы посчитали, что вся наблюдаемая материя была сжата тогда в плотной плазме, температура которой должна была быть около 10 миллиардов градусов (по шкале Кельвина). При этой температуре ядерные реакции могут легко проходить между протонами и нейтронами, поскольку они связываются вместе, а затем разъединяются от дальнейших столкновений. После этого процесса, когда Вселенная остывает, мы можем предсказать, как часто эти первозданные ядерные составляющие будут соединяться, образуя ядра атомов, тяжелее чем водород (т. е. гелий, литий, и так далее).

Когда мы это сделаем, мы обнаружим, что, по сути, ни одно ядро — кроме лития, третьего по легкости ядра в природе — не было образовано из первозданного огненного шара, которым был Большой Взрыв. Мы уверены, что наши расчеты верны, потому что наши прогнозы относительного содержания легких элементов в космосе отлично согласуются с этими наблюдениями. Содержание этих легких элементов — водорода, дейтерия (ядра тяжелого водорода), гелия и лития — варьируется на 10 порядков (примерно 25 процентов протонов и нейтронов, по массе, оказались в гелии, тогда как 1 из 10 млрд нейтронов и протонов оказался в ядре лития). Что касается этого невероятного диапазона, наблюдения и теоретические предсказания совпадают.

Это одно из самых известных, значимых и успешных предсказаний говорит нам, что Большой Взрыв действительно был. Только горячий Большой Взрыв может произвести наблюдаемое обилие легких элементов и сохранять непротиворечивость с нынешним наблюдаемым расширением Вселенной. Я ношу в заднем кармане памятку, показывающую сравнение предсказанного и наблюдаемого относительного содержания легких элементов, так что каждый раз, когда я встречаю кого-то, кто не верит, что Большой Взрыв был, я могу ему это показать. Конечно, я обычно никогда не дохожу до этого в дискуссии, потому что данные редко производят впечатление на людей, которые решили заранее, что что-то здесь не так. Я все равно ношу эту карточку и воспроизведу ее для вас позже в книге.

Тогда как литий важен для некоторых людей, для остальных из нас гораздо важнее все остальные более тяжелые ядра, такие как углерод, азот, кислород, железо и так далее.

Они не были созданы в Большом Взрыве. Единственное место, где они могли быть созданы — это раскаленные ядра звезд. И единственный способ, которым они могли попасть в ваше тело сегодня — это если эти звезды были достаточно любезны, чтобы взорваться, извергая свои продукты в космос, чтобы они могли в один прекрасный день слиться в небольшой голубой планете, расположенной вблизи звезды, которую мы называем Солнце. В ходе истории нашей галактики около 200 миллионов звезд взорвались. Эти мириады звезд пожертвовали собой, если хотите, чтобы однажды вы могли родиться. Я полагаю, это выдвигает их, не меньше, чем что-либо другое, на роль спасителя.

В ходе тщательных исследований, проведенных 1990-х годах, оказалось, что определенный тип взорвавшейся звезды, называемый сверхновая типа Ia, обладает замечательным свойством: с высокой точностью, те сверхновые типа Ia, которые по своей природе ярче, также сияют дольше. Корреляция, хотя до конца не изучена теоретически, эмпирически очень тесная. Это означает, что эти сверхновые очень хорошие «стандартные свечи». Под этим мы подразумеваем, что эти сверхновые могут быть использованы для калибровки расстояний, потому что их собственную яркость можно непосредственно установить путем измерения, которое не зависит от расстояния. Если мы наблюдаем сверхновую в далекой галактике, а мы можем это сделать, потому что они очень яркие, то, наблюдая, как долго она светит, мы можем получить ее внутреннюю яркость. Затем, измеряя ее видимую яркость нашими телескопами, мы можем точно узнать, насколько далеко находится сверхновая и ее галактика. Тогда, измерив «красное смещение» света от звезд в галактике, мы можем определить ее скорость, и таким образом можем сравнить скорость с расстоянием и вывести скорость расширения Вселенной.

Пока все хорошо, но если сверхновые взрываются в галактике примерно лишь раз в сто лет, насколько вероятно, что мы когда-либо сможем их увидеть? В конце концов, последняя сверхновая в нашей Г алактике, которую видели на Земле, была замечена Иоганном Кеплером в 1604 году! Действительно, это говорит о том, что сверхновые в нашей Галактике наблюдаются только во время жизни величайших астрономов, и Кеплер, конечно, отвечает этим требованиям.

Начав свою деятельность в качестве скромного учителя математики в Австрии, Кеплер стал помощником астронома Тихо Браге (который ранее сам наблюдал сверхновую в нашей галактике и которому по возвращении король Дании подарил целый остров), и используя данные Браге о положении планет в небе, взятые более чем за десять лет, Кеплер в начале семнадцатого века вывел свои знаменитые три закона движения планет:

1. Планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.

2. Линия, соединяющая планету и Солнце, описывает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадрат периода обращения планеты прямо пропорционален кубу (3-й степени) большой полуоси его орбиты (или, другими словами, «большой полуоси» эллипса, половине расстояния через самую широкую часть эллипса).

Эти законы в свою очередь заложили основу для получения Ньютоном универсального закона всемирного тяготения почти столетие спустя. Кроме этого замечательного вклада, Кеплер успешно защитил мать, обвиняемую в колдовстве, и написал, пожалуй, первый фантастический рассказ о путешествии на Луну.

В настоящее время, один из способов увидеть сверхновую — просто назначить по одному аспиранту на каждую галактику в небе. В конце концов, сто лет не слишком отличается, по крайней мере, в космическом смысле, от среднего времени, необходимого, чтобы сделать докторскую диссертацию, и аспирантов много, а их использовать дешево. К счастью, однако, мы не должны прибегать к таким крайним мерам, по очень простой причине: Вселенная большая и древняя, и, как следствие, редкие события происходят все время.