Глава 5. Прокрутить фильм назад

Ночь 44. День перечней операций

Сорок четвёртый день Нур почти целиком провела с перечнями операций. Через неделю они с Томасом должны были выйти из станции в открытый космос, чтобы заменить изношенную деталь на внешней стороне каркаса станции. Выход в открытый космос обычно длится шесть или семь часов, и почти каждая его минута планируется заранее. Сегодня был день подготовки: проверить оба скафандра, зарядить их аккумуляторы, испытать радиосвязь и разложить все инструменты, которые понадобятся.

Скафандр — это, по сути, маленький космический корабль в форме человека. Он держит воздух под безопасным давлением, удаляет углекислый газ, который выдыхает человек, охлаждает тело водой, текущей по тонким трубкам в одежде, которую надевают под него, и защищает от яростного солнечного света и глубокого холода в тени. Нур и Томас неторопливо проверяли каждую часть. Перчатки осматривали на мельчайшие порезы. Испытывали фонари на шлемах. К каждому инструменту прикрепляли короткий шнур — страховочный фал, — чтобы ничто не могло уплыть в космос.

Были и правила для тела. Перед выходом экипаж долго дышит чистым кислородом, чтобы вывести из крови часть азота, потому что в скафандре давление ниже, чем на станции. Без этого шага в теле могут образоваться пузырьки, примерно как те, что появляются, когда открываешь бутылку газированной воды. Наземные команды прописали каждый шаг этого процесса в перечне операций. Томас читал вслух каждую строку, Нур выполняла и говорила «готово», и он переходил к следующей.

Днём они надели скафандры для тренировки внутри станции. Облачение в скафандр занимает много времени и требует второй пары рук, поэтому Аде по очереди помогал каждому, подсоединяя шланги и защёлкивая кольцо шлема. Внутри скафандра мир стал тише, и единственными звуками были гул вентилятора и голоса по радио. Нур отрабатывала движения негнущимися пальцами в перчатках вокруг рукояток инструментов, а Томас отрабатывал порядок, в котором они откроют люк, проверят фалы и двинутся наружу вдоль поручней. Голос с Земли сопровождал каждый шаг, задавая вопросы и подтверждая каждый ответ. Когда они наконец сняли скафандры, оба были потными и голодными.

К вечеру оба скафандра были готовы и висели в маленьком помещении, которое называется шлюзом, как две высокие белые фигуры. Нур чувствовала приятную усталость — такую, какая бывает после дня тщательной работы, где нет места ошибкам. Перед сном она прочитала план на следующий день, а потом ещё раз план выхода в открытый космос, от конца к началу. Этой привычке её научил Томас: когда знаешь процедуру в прямом порядке, пройди её в обратном, чтобы увидеть, как каждый шаг зависит от предыдущего.

Чтение перечня операций задом наперёд навело её на мысль об истории этой ночи. В одну из прошлых ночей она рассказала Сами, что галактики разбегаются. Сегодня она сделает то, что астрономы сделали дальше: прокрутит фильм назад и посмотрит, куда он приведёт.

Что будет, если перемотать

Представьте, что у вас есть фильм о Вселенной, снятый за миллиарды лет, и вы прокручиваете его в обратную сторону. В прямом фильме галактики расходятся, потому что пространство между ними растягивается. В обратном они сходятся. Чем дальше назад, тем ближе они друг к другу. Группы галактик, которые сейчас разделены сотнями миллионов световых лет, в далёком прошлом были бы гораздо ближе к своим соседям.

Продолжайте перематывать, и произойдёт кое-что ещё. Сами галактики состоят из звёзд, газа и пыли. Пока фильм идёт назад, всё это вещество сжимается во всё меньшее и меньшее пространство. А когда вещество сжимают, оно нагревается. Вы знаете это по велосипедному насосу, который становится тёплым, когда качаешь усердно, или по тому, как воздух в шине нагревается при быстрой накачке. В обратном фильме о Вселенной сжатие идёт далеко за пределы всего, на что способен насос. Вселенная становится всё горячее и горячее.

В какой-то момент перемотки становится слишком жарко, чтобы звёзды и галактики вообще могли существовать. Ещё раньше становится слишком жарко даже для атомов. Всё превращается в светящуюся смесь крошечных частиц и света, гораздо более горячую, чем центр Солнца. Прокрутите фильм назад примерно на 13,8 миллиарда лет, и Вселенная окажется такой горячей и плотной, что наши нынешние законы физики уже не могут уверенно её описать. Там и начинается фильм — в том виде, в каком мы его знаем.

Таково основное рассуждение, стоящее за идеей горячего начала. Оно не основано на догадках о том, каким было начало. Оно основано на том, чтобы взять то, что мы видим сегодня, — расширение — и аккуратно проследить его назад с помощью известных законов физики. Каждый шаг можно проверить. Предсказывает ли это рассуждение то, что мы действительно можем найти сегодня? В следующие ночи мы увидим, что предсказывает. Но в годы после открытия Хаббла это было ещё не ясно, и многим учёным идея начала казалась очень неудобной.

Есть и предел тому, насколько далеко назад можно доверять перемотке. Для температур и плотностей, которые учёные могут создать или измерить на Земле, в лабораториях и на больших установках, законы физики хорошо проверены, и прослеживать фильм назад через такие условия довольно надёжно. За их пределами рассуждение становится менее уверенным, а в самом начале перестаёт работать совсем. Поэтому историю начала рассказывают с наибольшей уверенностью там, где условия совпадают с теми, что мы можем проверить, и со всё большей осторожностью по мере приближения к первому мгновению. В следующие ночи мы по очереди встретимся с каждым из этих этапов.

Первичный атом

Первым, кто всерьёз отнёсся к перемотке, был Жорж Леметр — священник и преподаватель физики, который ещё в 1927 году предположил, что Вселенная расширяется. В 1931 году он пошёл дальше. Если Вселенная расширяется, писал он, то в далёком прошлом она должна была быть очень маленькой и плотной. Он предложил считать, что Вселенная началась из единого, чрезвычайно плотного состояния, которое он назвал «первичным атомом». Он представлял себе, что это первое состояние распалось, как очень большой атом, расщепляющийся на меньшие части, и что из этих частей выросла Вселенная.

Подробности у Леметра были не совсем те, что приняты сегодня. У него не было знаний о частицах и атомах, которые появились позже, и его картина первого состояния отличалась от современной. Но главная его мысль была верной: у Вселенной есть история, и в начале этой истории она находилась в очень плотном состоянии, совсем не похожем на нынешнее. Он первым ясно сказал, что расширение указывает назад, на начало.

Стоит обратить внимание на то, кем был Леметр. Он был священником, который также работал учёным и преподавателем. Некоторые в то время думали, что его идея начала могла прийти из его религии. Сам Леметр старательно разделял одно и другое. Он видел в начале Вселенной вопрос физики, о котором нужно судить по свидетельствам, и не использовал его, чтобы доказать или опровергнуть какую-либо веру. Это хороший пример для всякого, кто думает об этих вопросах сегодня. Наука может описать, как менялась Вселенная. Вопросы смысла и веры — вопросы другого рода, и каждый человек подходит к ним по-своему.

Поначалу многим учёным идея начала не нравилась. Вселенная, которая существовала всегда, без всякого начала, казалась им проще и естественнее. Другие возражали, что возраст Вселенной, рассчитанный по ранним измерениям Хаббла, слишком мал — меньше даже возраста Земли, измеренного геологами. Эта трудность возникла из-за того, что расстояния у Хаббла были слишком малы, и исчезла, когда их исправили. Но несколько лет из-за неё идея начала казалась сомнительной.

Вселенная без начала

В 1948 году группа учёных предложила соперничающую идею. Они признавали, что галактики разбегаются. Но они предположили, что у Вселенной не было начала и не будет конца. По мере того как галактики расходятся, говорили они, в пустом пространстве между ними очень медленно появляется новое вещество — так медленно, что никто никогда не смог бы обнаружить это напрямую, возможно, отдельный атом то здесь, то там за огромные промежутки времени. Из этого нового вещества образуются новые галактики, заполняя промежутки. В этой картине Вселенная в среднем всегда выглядит одинаково, в любое время. Её назвали теорией стационарной Вселенной.

Идея стационарной Вселенной не была глупой. Она была остроумной, тщательно продуманной и делала ясные предсказания — ровно то, что и должна делать хорошая научная идея. Её сторонникам нравилось, что ей не нужно загадочное первое мгновение. Одним из самых известных её сторонников был Фред Хойл, астроном, который к тому же был популярным писателем и живым рассказчиком на радио. В одну из следующих ночей мы снова встретимся с ним, потому что он внёс и огромный вклад в понимание того, как в звёздах образуются химические элементы.

Именно Хойл дал соперничающей идее её знаменитое название. В радиобеседе в 1949 году он назвал идею горячего начала «Большим взрывом». Многие говорили, что он имел в виду это название как насмешку над идеей, с которой не соглашался. Сам Хойл позже говорил, что хотел лишь дать слушателям яркий образ. Что бы он ни имел в виду, название прижилось, и теперь его используют повсюду, даже учёные, для той самой идеи, которая, как он надеялся, окажется ошибочной.

Итак, к началу 1950-х годов существовали две серьёзные картины Вселенной. В одной Вселенная началась в горячем, плотном состоянии и с тех пор меняется. В другой у Вселенной нет начала, и она всегда выглядит одинаково. Обе согласовывались с расширением, открытым Хабблом. Чтобы выбрать между ними, учёным нужно было нечто большее: улика, которую одна картина предсказывает, а другая нет.

Оглядываясь назад, легко разделить людей в этой истории на победителей и проигравших. Но наука на самом деле так не работает. Теория стационарной Вселенной заставила сторонников горячего начала отточить свои идеи и упорнее искать свидетельства. Вопросы, поднятые её сторонниками, привели к полезной работе, в том числе к великой работе самого Хойла об элементах. Соперничающая идея, изложенная тщательно, — не враг. Это своего рода коллега, который задаёт трудные вопросы, которых все остальные предпочли бы избежать, — примерно как сотрудник в любой команде, который всегда спрашивает: «А мы проверили?»

Решить спор свидетельствами

Две картины делали разные предсказания о прошлом. В картине стационарной Вселенной Вселенная всегда выглядела одинаково, поэтому очень далёкие галактики, которые мы видим такими, какими они были давно, должны быть очень похожи на близкие. В картине горячего начала Вселенная со временем менялась, поэтому далёкая, ранняя Вселенная должна выглядеть иначе, чем нынешняя.

Одна проверка пришла из радиоастрономии, которая быстро развивалась после 1940-х годов. Радиотелескопы могут обнаруживать галактики, испускающие мощные радиоволны. Когда радиоастрономы в 1950-х и начале 1960-х годов подсчитали такие источники, оказалось, что вдали, то есть в далёком прошлом, их, по-видимому, больше, чем поблизости. Вселенная в прошлом выглядела не так, как сегодня. Для картины стационарной Вселенной это было трудностью, хотя её сторонники спорили о том, как толковать подсчёты.

В 1963 году к этой трудности добавилось ещё одно открытие. Астрономы нашли новый вид объектов, чрезвычайно ярких и чрезвычайно далёких, которые стали называть квазарами. Сегодня мы знаем, что квазары — это сияющие центры далёких галактик, где огромные количества газа падают на гигантские чёрные дыры. Для спора важно было то, где их находили. Квазары видны на больших расстояниях, то есть в далёком прошлом, но квазаров такого рода рядом с нами нет. Во Вселенной давнего прошлого они были, а в сегодняшней нет. И снова прошлое выглядело иначе, чем настоящее.

Картина горячего начала делала и гораздо более поразительное предсказание. Если молодая Вселенная была очень горячей, она должна была быть заполнена ярким сиянием, как внутренность печи. По мере расширения и остывания Вселенной этот свет не исчез бы. Он растянулся бы и ослаб, но и сегодня должен был бы оставаться, заполняя всё пространство и приходя со всех сторон. В 1948 году несколько физиков предсказали этот оставшийся свет. Если бы кто-то его нашёл, картине стационарной Вселенной было бы очень трудно это объяснить.

Больше пятнадцати лет после этого предсказания никто всерьёз его не искал. Приборы того времени были недостаточно чувствительны, и многие учёные не принимали предсказание всерьёз. А потом, в 1965 году, его нашли почти случайно двое инженеров, которые пытались решить практическую задачу с антенной. Это открытие — самый древний свет во Вселенной — и есть история следующей ночи этой книги.

Обратите внимание, как был решён этот спор. Его решило не то, у кого были самые искусные слова или самые знаменитые сторонники. Его решило то, что две идеи делали разные предсказания, и люди пошли и измерили. Пожалуй, это самый важный урок во всей истории начала. Наука — не состязание мнений. Это способ позволить решить самой Вселенной.

Перед сном

Перед тем как выключить свет, Нур написала Сами: «История этой ночи: если галактики разбегаются сейчас, то в прошлом они были ближе, а ещё раньше всё было сжато вместе и очень горячо. Священник, преподававший физику, назвал первое состояние первичным атомом. Соперничающая идея утверждала, что у Вселенной вообще не было начала. Название „Большой взрыв“ дал человек, который в него не верил. Спор решили свидетельства, о них расскажу в следующий раз».

Сами ответил в перерыве той же ночью. Он написал, что у них на складе, когда с доставкой что-то не так, водители всегда спорят, кто виноват, а начальник всегда говорит одно и то же: «Хватит спорить, проверьте отслеживание». Ему показалось, что астрономы поступили так же. Нур улыбнулась и согласилась. Потом она снова подумала о выходе в открытый космос и о том, как много в любой работе зависит от того, чтобы проверять, а не предполагать.

Перед сном Томас тихо постучал в стенку её каюты, чтобы пожелать спокойной ночи. Он рассказал, что когда-то работал с инженером, который любил говорить, что перечень операций — это разговор со всеми, кто ошибался до тебя. Нур это понравилось. В каком-то смысле, подумала она, вся история науки и есть такой перечень, написанный людьми, которые ошибались, замечали это и передавали дальше то, чему научились.

Если сегодня вечером у вас найдётся минута, вспомните что-нибудь из своего рабочего дня, что вы лучше поняли, пройдя это в обратном порядке: ошибку, которую вы проследили до её причины, работу, которую спланировали от конца. Именно так рассуждали астрономы о Вселенной. Они взяли расширение, которое видели сегодня, и терпеливо спросили, что должно было быть до него.

Распространённые заблуждения

Многие представляют себе, что Вселенная началась как крошечная точка, плавающая в огромном пустом пространстве, как яркая точка посреди тёмной комнаты, а потом разрослась, заполнив комнату. Идея горячего начала говорит не об этом. Насколько мы можем судить, никакой комнаты не было. Снаружи ранней Вселенной не было пустого пространства, ожидающего, чтобы его заполнили. Ранняя Вселенная была горячей и плотной повсюду, и с тех пор растягивается само пространство. Если сегодня Вселенная бесконечна, а это возможно, то, вероятно, она была бесконечной и тогда, только гораздо плотнее. Очень маленькой была та часть, которая с тех пор стала видимой нам Вселенной.

Многие также понимают название «Большой взрыв» буквально и представляют себе громкий взрыв с центром и звуком. Но никакого взрыва в обычном смысле не было. Звуку нужен воздух или другое вещество, через которое он может распространяться, и не было ни слушателя, ни «снаружи», откуда его можно было бы услышать. Не было и центра, как показал изюм в поднимающемся хлебе в прошлую ночь. Название пришло из радиобеседы человека, который предпочитал другую идею. Это удобный ярлык, и мы пользуемся им в этой книге, но начало он описывает примерно так же хорошо, как прозвище описывает человека.

Третье распространённое заблуждение — будто теория Большого взрыва объясняет, что вызвало начало Вселенной. Это не так. Теория описывает, как Вселенная изменилась от очень горячего, плотного раннего состояния до той Вселенной, которую мы видим сегодня, и описывает это очень хорошо. Но о самом первом мгновении и о том, что было до него, если вообще что-то было, теория не говорит ничего надёжного. Наши нынешние законы физики перестают работать, когда мы пытаемся применить их там. Учёные честно говорят, что эта часть пока не известна. Проверить они могут то, что произошло после, и первая большая проверка пришла в 1965 году — от слабого шипения в антенне, с которого и начинается история следующей ночи.