Прежде чем начать: несколько слов читателю

В конце рабочего дня многие из нас на минуту выходят на улицу. Может быть, мы идём к автобусу, выносим мусор или ждём начала смены. Иногда, не собираясь этого делать, мы поднимаем глаза. Там Луна, или одна яркая звезда, или, если повезёт, целое небо звёзд. И порой в этот тихий миг к нам возвращается старый вопрос: откуда всё это взялось?

Эта книга пытается бережно ответить на этот вопрос, по одному вечеру за раз. Она рассказывает историю о том, как началась Вселенная, насколько люди понимают это сегодня: как когда-то она была чрезвычайно горячей и плотной, как около 13,8 миллиарда лет она расширяется и остывает, как образовались первые атомы, первые звёзды и первые галактики и как гораздо позже появились Солнце, Земля и атомы наших собственных тел. Она также рассказывает, более коротко, о том, как люди всё это выяснили. Многие великие открытия сделали люди за работой: женщина, которой платили за то, чтобы она измеряла звёзды на стеклянных пластинках, двое инженеров, пытавшихся убрать шум из антенны, преподаватель физики, который продумывал свои идеи с карандашом и бумагой.

История рассказывается в течение пятнадцати ночей, и каждая глава — это одна ночь. Каждая глава начинается с рабочего дня астронавта Нур, которая проводит шесть месяцев на космической станции высоко над Землёй. Её работа полна расписаний, перечней операций, мелкого ремонта и долгих часов, как многие работы на Земле. Что-то в её дне приводит к вопросу, а этот вопрос — к истории этой ночи. Перед сном Нур отправляет короткое сообщение младшему брату Сами, который по ночам водит грузовик доставки и читает её сообщения в перерыве. Нур, Сами и экипаж станции — вымышленные люди, и станция не настоящая, но жизнь, которой они живут, близка к жизни настоящих астронавтов.

Каждая глава заканчивается несколькими распространёнными заблуждениями: представлениями о Вселенной или о жизни в космосе, в которые верят многие, но которые не совсем верны. Они здесь не для того, чтобы кто-то почувствовал себя глупо. Почти каждый когда-нибудь верил в некоторые из них, в том числе многие учёные, пока факты ещё не были известны. Внимательно рассмотреть заблуждение — часто самый лёгкий способ понять, как всё обстоит на самом деле.

Как читать эти ночи

Чтобы читать эту книгу, никакой научной подготовки не нужно. Каждое новое слово объясняется, когда появляется впервые, и в объяснениях используются обычные вещи: хлеб, поднимающийся в печи, проезжающая сирена, стакан воды, долгая смена, которая заканчивается на рассвете. Если какая-то часть кажется трудной, можно спокойно читать дальше. Следующая ночь часто многое прояснит.

Чтение одной главы занимает около двадцати минут, и главы задуманы для того, чтобы читать их по порядку, по одной за вечер, как цикл сказок на ночь для взрослых. Первые ночи собирают улики, а последующие ими пользуются. Но торопиться некуда. Если вы прочитаете две главы в тихие выходные и ни одной за напряжённую неделю, Вселенная вас подождёт. Она ждёт уже очень давно.

Числа в этой книге округлены, и рядом с большинством из них стоит слово «около». Астрономы измеряют многое очень точно, но для истории, рассказанной ночью, круглое число легче удержать в памяти. Там, где что-то ещё не известно, книга прямо так и говорит. О начале Вселенной ещё очень многое никому не понятно, и некоторые из самых интересных вопросов до сих пор открыты.

И наконец, вам, возможно, понравится время от времени поднимать глаза к небу, пока вы читаете. Вам не нужен ни телескоп, ни тёмная гора. Достаточно окна, порога или короткой прогулки после работы. Свет, который вы видите в такие вечера, — часть той же истории, которую рассказывает эта книга.

А сейчас первый рабочий день на станции почти закончился. Нур устала, голова в невесомости кажется странной, а за иллюминатором поднимаются звёзды. Давайте проведём с ней первую ночь.

Глава 1. Вопрос в темноте

Ночь 1. Первая ночь в спальном мешке

Первый рабочий день Нур на космической станции начался очень рано, задолго до того, как она добралась до самой станции. Она проснулась в маленькой комнате на Земле, спокойно позавтракала, надела полётный костюм и вместе с товарищами по экипажу поднялась в капсулу на вершине высокой ракеты. Через несколько часов после того, как зажглись двигатели, капсула пристыковалась к станции, люки открылись, и те, кто уже жил там, встретили новый экипаж усталыми и радостными лицами.

Остаток дня был заполнен мелкими, аккуратными делами. Нур узнала, где хранится аварийное оборудование. Она несколько раз проделала путь до своей спальной каюты, подтягиваясь за поручни, потому что ногам пол больше был не нужен. Она распаковала сумку с одеждой, зубной щёткой и блокнотом и закрепила каждую вещь, потому что всё, что оставлено в воздухе без присмотра, уплывает. К вечеру голова у неё стала тяжёлой и словно переполненной, как это часто бывает в первые часы невесомости, а руки немного не слушались. Томас, командир, сказал ей, что это нормально. Аде, учёный, признался, что в свой первый вечер потерял три ручки за десять минут.

В конце дня Нур отправилась в маленькую круглую комнату с большим иллюминатором. Иллюминатор состоит из нескольких толстых стёкол, и сквозь него было видно, как мимо проплывает изгиб Земли. Синий океан, белые облака, а затем тонкая светящаяся полоска воздуха на краю планеты. Пока она смотрела, станция перешла на ночную сторону Земли. Внизу всё потемнело, а небо над планетой заполнилось звёздами.

На тёмной стороне планеты она видела огни городов, рассыпанные по суше, как просыпанный сахар, а вдали — белые вспышки грозы внутри облаков. Меньше чем через час на краю Земли появилась тонкая оранжево-синяя линия, и Солнце снова взошло. Томас подплыл к ней и сказал, что теперь каждые двадцать четыре часа она будет видеть около шестнадцати восходов и шестнадцати закатов. Станция живёт по единым часам, согласованным с командами на Земле, объяснил он, чтобы экипаж мог спать, есть и работать по постоянному расписанию, даже когда Солнце встаёт каждые полтора часа.

Позже, застегнувшись в спальном мешке, привязанном к стене каюты размером с узкий шкаф, Нур прочитала сообщение от младшего брата. Сами водит грузовик доставки по ночам. Сообщения он читает в перерыве, около трёх часов ночи, стоя у обочины тихой дороги. Сообщение было коротким. «Рад, что ты долетела благополучно. Вот тебе вопрос, раз уж ты ближе к небу, чем любой из нас. С чего всё началось? Всё вообще, я имею в виду. Вся Вселенная».

Нур улыбнулась в темноте. Для такой маленькой каюты вопрос был слишком большим. Но у неё в запасе было пятнадцать ночей, разбросанных по шести месяцам на станции, и она решила отвечать не спеша, по одной истории за ночь. Эта книга следует за этими ночами. Если хотите, вы можете читать её так же: по одной главе за вечер, после собственного рабочего дня.

Самый древний вопрос

Вопрос Сами — пожалуй, самый древний из всех, что задавали люди. Задолго до телескопов, задолго до письменности люди смотрели на ночное небо и гадали, откуда оно взялось. Почти у каждой известной нам культуры есть рассказы о начале мира. Одни начинались с воды, другие с яйца, третьи с темноты, четвёртые с великой тишины. Эти истории рассказывали у костра, в конце долгих дней работы в поле и на море, люди, которым было так же любопытно, как и нам.

Эти истории выполняли много важных задач. Они давали людям ощущение своего места в мире. Они объясняли смену времён года и звёзды так, чтобы ребёнок мог это запомнить. Они передавали ценности от одного поколения к другому. Наука не пытается заменить такой смысл. Она задаёт вопрос поуже: что мы можем узнать о начале, внимательно глядя на саму Вселенную, измеряя то, что видим, и снова и снова проверяя свои идеи?

Большую часть истории человечества этот более узкий вопрос по-настоящему задать было нельзя. Люди могли очень внимательно наблюдать за Солнцем, Луной и планетами, и многие культуры составили по этим наблюдениям прекрасные календари. Но чтобы изучать начало всей Вселенной, астрономам были нужны две вещи, которых не существовало примерно до прошлого века: телескопы, достаточно большие, чтобы видеть очень далёкие галактики, и теория тяготения, достаточно мощная, чтобы описать Вселенную целиком. Эта теория, общая теория относительности Альберта Эйнштейна, появилась в 1915 году. Большие телескопы появились примерно тогда же. Только после этого древний вопрос смог стать научным.

Этот более узкий вопрос оказался очень плодотворным. Примерно за последние сто лет астрономы узнали о ранней Вселенной больше, чем за все предыдущие века. Они делали это медленно, терпеливой работой. Многие открытия из этой книги сделали люди, которые просто выполняли свою работу: измеряли звёзды на фотографических пластинках, устраняли шум в антенне, поздно ночью проверяли цифры. Их рабочие дни сложились в историю, которую никто из них не смог бы рассказать в одиночку.

В этой истории есть и пробелы. Некоторые её части известны очень хорошо и проверены множеством разных способов. Другие всё ещё открыты, и учёные о них спорят. В эти пятнадцать ночей я постараюсь ясно показывать, где что. Когда что-то известно, я так и скажу. Когда что-то ещё не известно, я скажу и об этом. Незнание — не поражение. Это просто то место, где начинается следующий рабочий день.

Короткий ответ

Прежде чем перейти к длинной истории, вот короткий ответ, который поместится на обороте открытки. Около 13,8 миллиарда лет назад Вселенная была чрезвычайно горячей и чрезвычайно плотной. Всё, что сейчас разбросано по небу, каждая звезда и каждая галактика, было собрано вместе в состоянии, более горячем, чем центр любой звезды. С тех пор Вселенная расширяется и остывает. По мере остывания образовались первые частицы, затем первые атомы, затем первые звёзды и галактики, а гораздо позже — Солнце, Земля и мы.

Вот главная мысль. Всё остальное в этой книге её дополняет. Число в 13,8 миллиарда лет так велико, что его трудно почувствовать. Начать можно со сравнения с человеческой жизнью. Если бы вы прожили восемьдесят лет, возраст Вселенной составил бы больше ста семидесяти миллионов ваших жизней. Другой способ, которым мы воспользуемся в последнюю ночь, — сжать всю историю в один рабочий день и посмотреть, что происходит в каждый час.

Это раннее горячее состояние часто называют Большим взрывом. Это знаменитое название, и мы будем пользоваться им в этой книге, но это всего лишь название. Оно не означает, что был громкий хлопок, и не означает, что что-то взорвалось в пустой комнате. В одну из следующих ночей мы познакомимся с человеком, который дал это название, и увидим, что сам он в эту идею не верил. Пока достаточно запомнить, что Большой взрыв — это горячая, плотная ранняя Вселенная и её расширение.

Почему расширяющаяся Вселенная должна ещё и остывать? Возможно, вы чувствовали ответ собственными руками. Если какое-то время пользоваться баллончиком с аэрозолем, он становится холодным, потому что газ внутри расширяется, выходя наружу. Когда газ сжимают, он нагревается, — вот почему велосипедный насос после усердной накачки становится тёплым внизу. Вселенная подчиняется тому же правилу в огромном масштабе. Пока пространство растягивалось миллиарды лет, всё в нём расходилось и остывало — от жара, не сравнимого ни с чем на Земле, до глубокого холода сегодняшнего космоса.

Короткий ответ упускает и кое-что важное. Он не говорит нам, что вызвало начало и было ли что-нибудь до него. Эти вопросы остаются открытыми. Наука о ранней Вселенной описывает то, что произошло после первого мгновения, и описывает это очень хорошо. О самом первом мгновении учёные честно говорят, что пока не знают.

Откуда это вообще можно знать?

Следующий вопрос Сами пришёл на другую ночь, и он был хорошим. «Как можно знать, что происходило миллиарды лет назад? Там же никого не было». Этот вопрос должен задать каждый вдумчивый человек. Мы не можем отправиться в прошлое и не можем заново запустить Вселенную в лаборатории. Так откуда же астрономы вообще что-то знают о её начале?

Ответ в том, что прошлое оставило улики, примерно как те, что читает механик, когда грузовик заезжает в мастерскую. Хороший механик может посмотреть на стёртые тормоза, царапину на краске и грязь в колёсных арках и многое рассказать о том, где побывал грузовик, хотя сама она в кабине не сидела. Астрономы поступают со Вселенной похожим образом. Они смотрят на то, что есть сейчас, и спрашивают, какая история могла к этому привести.

Главных улик три, и в следующие несколько ночей мы по очереди расскажем о каждой. Первая улика: галактики, огромные семьи звёзд, наполняющие Вселенную, удаляются друг от друга. Если они расходятся сейчас, значит, в прошлом они были ближе друг к другу. Вторая улика — слабое свечение, которое приходит со всех сторон неба, самый древний свет, оставшийся с тех времён, когда вся Вселенная была горячей и светилась. Третья улика — смесь самых лёгких видов атомов, водорода и гелия, которых обнаруживается ровно столько, сколько должна была создать горячая ранняя Вселенная.

Любую из этих улик по отдельности, возможно, удалось бы объяснить как-то иначе. Большинство учёных убедило то, что все три указывают на одну и ту же историю и что более поздние измерения, сделанные всё лучшими и лучшими приборами, раз за разом с ней согласовывались. Так устроена значительная часть науки. Это не одно эффектное доказательство, а множество терпеливых проверок, которые сходятся друг с другом.

Одна проверка особенно убедительна. Это когда идея предсказывает то, чего ещё никто не видел, а потом кто-то это находит. Если механик говорит: «Судя по этому износу, я ожидаю найти за той панелью разболтанный болт», — и болт действительно там, вы начинаете доверять механику больше. В истории ранней Вселенной так случалось не раз. Самый древний свет, например, был предсказан в 1948 году и случайно найден в 1965-м, как мы увидим в одну из следующих ночей.

Есть и четвёртый помощник, без которого всё это было бы невозможно, — сам свет. Свету нужно время, чтобы добраться до нас. Когда мы смотрим на что-то очень далёкое, мы видим это таким, каким оно было, когда свет его покинул. Значит, телескоп — это ещё и своего рода машина времени, хотя он может только смотреть и никогда не может побывать там. Свету будет посвящена история следующей ночи.

Книга из пятнадцати ночей

Вот каким будет наше путешествие. В следующие ночи мы последуем за светом-вестником и узнаем, как астрономы обнаружили, что Вселенная гораздо больше, чем кто-либо представлял. Мы увидим, как они выяснили, что галактики удаляются друг от друга, и что значит прокрутить этот фильм назад. Мы встретимся с самым древним светом и узнаем, что произошло в первые несколько минут, когда возникли самые лёгкие атомы, и ещё раньше, когда атомов не было вовсе.

После этого история снова пойдёт вперёд. Мы увидим, как после долгой темноты зажигаются первые звёзды, и узнаем, как росли галактики. Мы узнаем, как атомы вашего собственного тела возникли внутри звёзд и как родились Солнце и Земля. Затем мы обратимся к великим неизвестным: к странному толчку, который называют тёмной энергией, и к вопросам на самом краю того, что мы можем видеть. В последнюю ночь Нур будет собирать вещи перед возвращением домой, и мы окинем взглядом всю историю целиком.

У каждой ночи одна и та же простая форма. Сначала мы проводим с Нур часть её рабочего дня на станции. Затем следует история этой ночи. Потом мы возвращаемся на станцию на несколько тихих минут перед сном. В конце каждой главы есть короткий раздел о распространённых заблуждениях: представлениях, которых придерживаются многие, часто по вполне понятным причинам, но которые не совсем верны. Избавляться от них — один из самых мягких способов учиться.

Чтобы следить за этой книгой, никакой научной подготовки не нужно. Каждое новое слово будет объяснено, как только появится впервые. Если какое-то число кажется слишком большим, чтобы его представить, ничего страшного. Астрономы тоже не могут по-настоящему представить эти числа. Они обращаются с ними аккуратно, округляют, когда можно, и сохраняют чувство удивления.

Сообщение для Сами

Первый ответ брату у Нур получился коротким, потому что она очень устала. Она написала: «Если коротко: около 13,8 миллиарда лет назад всё было горячим и плотно сжатым, и с тех пор всё расходится и остывает. Длинная версия займёт пятнадцать ночей. Будь осторожен за рулём».

Прежде чем она закрыла сообщение, мимо её каюты, направляясь спать, проплыл Аде и заметил у неё в руке блокнот. Когда она рассказала ему о вопросе Сами, он тихо рассмеялся и сказал, что это лучший вид вопросов, потому что никто не сможет ответить на него за одну ночь. «Пятнадцати ночей может и не хватить, — сказал он. — Но для начала неплохо».

Потом она выключила маленький светильник в каюте. Поначалу сон в невесомости кажется странным. Нет подушки, на которую можно опереться, нет матраса внизу, и руки плавали перед ней, пока она не спрятала их в мешок. Снаружи станция продолжала свой путь, облетая Землю примерно за девяносто минут, уходя на дневную сторону и снова возвращаясь. Где-то далеко внизу около трёх часов ночи Сами остановит грузовик, откроет телефон и прочитает её слова.

Возможно, вы читаете это в конце собственного долгого дня. Если получится, выйдите перед сном на минуту на улицу или выгляните в окно и найдите одну звезду. Не нужно знать, как она называется. Просто заметьте, что её свет проделал очень долгий путь, чтобы дойти до вас, и что вы — часть той же Вселенной, что и эта звезда, и за вами та же долгая история. Отсюда и начинается наш рассказ.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что астронавты парят, потому что в космосе нет силы тяжести. Ошибиться здесь легко, ведь на снимках всё выглядит именно так. Но на высоте станции, примерно в 400 километрах над землёй, земное притяжение составляет ещё около девяти десятых от того, что на поверхности. Если бы можно было построить такую высокую башню и встать на её вершину, вы всё равно ощущали бы почти девять десятых своего обычного веса.

На самом деле всё парит потому, что станция и все, кто внутри, падают. Они падают всё время, к Земле. Но при этом станция очень быстро движется вбок, со скоростью около 28 тысяч километров в час. Пока она падает, изогнутая поверхность Земли уходит из-под неё, поэтому станция никогда не приближается к планете. Она всё время падает вокруг планеты, а не на неё. Поскольку Нур, её товарищи и каждая ручка и зубная щётка падают вместе и с одинаковой скоростью, ничто ни на что не давит. Это ощущение мы и называем невесомостью.

Многие также думают, что Большой взрыв был взрывом, который произошёл в одной точке пустого пространства, как фейерверк в тёмном небе, и всё разлетелось из центра. Это, вероятно, самое распространённое заблуждение о начале Вселенной. Насколько мы можем судить, никакого пустого пространства снаружи, ждущего, чтобы его заполнили, не было, и центра тоже не было. Раннее горячее, плотное состояние было повсюду сразу, и с тех пор растягивается само пространство. Эта мысль непростая, и мы будем неторопливо возвращаться к ней в следующие ночи.

Наконец, одни люди считают, что учёные утверждают, будто знают о начале Вселенной всё, а другие — что учёные почти ничего не знают и только гадают. Ни то ни другое не верно. Некоторые части истории, такие как расширение и самый древний свет, измерены с большой тщательностью и проверены многими способами. Другие части, такие как самое первое мгновение и то, чем на самом деле являются тёмная материя и тёмная энергия, честно остаются неизвестными. Читать эту книгу лучше всего, помня и о том, и о другом: уверенность там, где свидетельства сильны, и открытость там, где их нет. В следующую ночь этой книги мы начнём с вестника, который приносит нам все эти свидетельства, — со света.