Глава 7. Первые несколько минут

Ночь 70. Водяная машина

День 70 был днём технического обслуживания. В расписании, которое Земля присылала каждое утро, главная задача Нур называлась просто: заменить фильтр в системе регенерации воды. На космической станции вода слишком драгоценна, чтобы её тратить. Отправлять её с Земли тяжело, поэтому станция собирает почти каждую каплю, какую может, и очищает её снова и снова. Водяной пар, который выдыхает экипаж, и пот, выходящий через кожу, забираются из воздуха. Вода после умывания собирается. Даже моча собирается, очищается и снова превращается в питьевую воду.

На Земле Нур много раз тренировалась выполнять эту работу на копии машины. На станции на неё ушла бо́льшая часть утра. Она закрыла вентили в правильном порядке, проверила показания давления, открыла панель и вытащила старый фильтр. Каждую незакреплённую деталь привязывали или держали в мешке. Аде парил рядом с перечнем операций и зачитывал вслух каждый шаг, прежде чем она его выполняла, а Нур повторяла этот шаг за ним. На Земле это может показаться медленным. На орбите именно так избегают ошибок.

Когда новый фильтр встал на место, машина провела свои проверки. Ряд маленьких огоньков один за другим загорелся зелёным. Команды на Земле следили за теми же показаниями на своих экранах и подтвердили, что всё выглядит нормально. Нур записала время в журнал и убрала старый фильтр в мешок, чтобы позже уложить его в грузовой корабль и отправить прочь.

За обедом она наполнила свой пакет для питья из водяных запасов станции и подняла его к свету. Вода была совершенно прозрачной. Она не имела никакого вкуса — ровно таким и должен быть вкус хорошей воды. Томас поднял свой пакет и, как всякий раз, когда кто-нибудь чинил водяную машину, сказал, что вчерашний кофе стал сегодняшним кофе. Аде сказал, что о такой фразе он не хотел бы думать за едой.

Вечером Сами написал, что всю ночь разгружал ящики с бутилированной водой в супермаркете и рад, что никто не просит его пить воду дважды. Нур сказала ему, что в каком-то смысле каждый на Земле пьёт воду, которой уже пользовались облака, реки, растения и животные в течение миллиардов лет. А потом она подумала ещё дальше назад — о том, откуда взялась сама вода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. У кислорода своя история, которую мы услышим в одну из следующих ночей. Но водород в каждой капле воды гораздо старше. Он родом из первых нескольких минут Вселенной.

Самые маленькие кирпичики

В прошлую ночь мы встретились с самым древним светом, высвободившимся, когда Вселенной было около 380 тысяч лет. Сегодня мы отправимся гораздо дальше назад, во время, когда Вселенной было всего несколько минут. Чтобы понять, что тогда произошло, нужно немного знать о том, из чего состоят атомы. Слова могут быть новыми, но мысль проста — как изучить части машины, прежде чем её чинить.

У каждого атома есть крошечный центр, называемый ядром. Вокруг ядра находятся ещё более крошечные частицы, называемые электронами. Само ядро состоит из частиц двух видов. Протоны несут положительный электрический заряд. Нейтроны не несут никакого заряда — отсюда и их название, означающее «нейтральные». Протоны и нейтроны весят почти одинаково, и оба гораздо тяжелее электрона.

Трудно представить, насколько мало ядро. Учителя часто используют такое сравнение. Если бы весь атом увеличить до размеров большого стадиона, его ядро было бы размером примерно с маленькую горошину в центре поля. Электроны были бы где-то далеко на трибунах. Почти весь вес атома сосредоточен в этой крошечной горошине в центре.

Число протонов в ядре определяет, какой это атом. Атом с одним протоном — водород. Атом с двумя протонами — гелий. Атом с шестью протонами — углерод, а атом с восемью протонами — кислород. Каждый из этих основных видов атомов называется химическим элементом. Нейтроны добавляют вес и помогают удерживать ядро вместе, но не меняют того, какой это элемент.

Самое простое ядро из всех — один-единственный протон. Это ядро обычного водорода. Ядро гелия сложнее. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов, плотно упакованных вместе. Чтобы построить ядро гелия, нужно свести протоны и нейтроны очень близко друг к другу, так близко, чтобы их могла схватить очень мощная сила внутри ядра. В обычных условиях этого почти никогда не происходит, потому что протоны отталкивают друг друга своими электрическими зарядами. Чтобы заставить их соединиться, нужны огромный жар и давление.

В первые мгновения Вселенной ещё не было ни атомов, ни ядер. Была только горячая смесь свободных протонов, свободных нейтронов, электронов, света и других крошечных частиц, движущихся очень быстро. Было слишком жарко, чтобы что-либо слиплось. Всякий раз, когда протон и нейтрон соединялись, жар почти сразу же снова разбивал их. Вселенная была похожа на кухню, где так жарко, что никакое тесто не может подняться, потому что всё сгорает в тот же миг, как его замесили.

Короткое окно для строительства

Расширяясь, Вселенная остывала. Через несколько минут она достигла температуры, при которой протоны и нейтроны наконец смогли удерживаться вместе. Эта температура всё ещё была гораздо выше, чем сегодня в центре Солнца, но уже не слишком высокой. На короткое время вся Вселенная стала местом, где можно было строить лёгкие ядра. Протоны и нейтроны соединялись в пары, пары соединялись в ядра гелия, а ещё образовалось совсем немного чуть более тяжёлого элемента — лития.

Это окно оставалось открытым недолго. Вселенная продолжала расширяться и остывать. Примерно в течение первых двадцати минут температура и плотность упали настолько, что строительство прекратилось. Частицы теперь были слишком разрежены и слишком медленны, чтобы встречаться с достаточной силой. Всё, что было сделано к этому моменту, и стало тем, с чем Вселенной предстояло работать. Ещё многие миллионы лет после этого, пока не засияли первые звёзды, новые элементы не образовывались вовсе.

Вы можете задаться вопросом, как вообще можно знать температуру Вселенной в возрасте нескольких минут. Рассуждение проще, чем кажется. Астрономы знают, как быстро Вселенная расширяется сегодня и насколько тёплый самый древний свет сегодня. Когда Вселенная была меньше, тот же свет был сжат в меньшем пространстве, поэтому был горячее — простым и хорошо понятным образом. Прокручивая фильм назад по этим правилам, физики могут вычислить, какой горячей была Вселенная в каждый момент, вплоть до первых минут.

Была и другая причина, по которой времени было мало. Нейтрон сам по себе, вне ядра, живёт недолго. Примерно за четверть часа, в среднем, свободный нейтрон превращается в протон. Поэтому нейтроны всё время понемногу исчезали. Уцелеть могли только те нейтроны, которые были встроены в ядра гелия. Это можно сравнить с пекарней, где дрожжи постепенно теряют силу. Пекарю нужно использовать их быстро, иначе они пропадут.

Когда строительство прекратилось, нейтронов было гораздо меньше, чем протонов. Грубо говоря, на каждые семь протонов приходился один нейтрон. Это число и определяет результат. Представьте шестнадцать частиц: два нейтрона и четырнадцать протонов. Два нейтрона соединяются с двумя протонами и образуют одно ядро гелия — всего четыре частицы. Остальные двенадцать протонов остаются одиночными, как двенадцать ядер водорода. Значит, по весу четыре части из шестнадцати — это гелий, то есть одна четверть. Остальные три четверти — водород.

Таково предсказание первых нескольких минут: по массе около трёх четвертей водорода и около одной четверти гелия, с крошечными следами более тяжёлой разновидности водорода и лития. Сотни тысяч лет спустя, когда Вселенная остыла ещё сильнее и электроны устроились вокруг этих ядер, образовались первые атомы. Это были атомы светящегося тумана — того тумана, который рассеялся и выпустил самый древний свет.

Две истории, которые встретились

Здесь встречаются две истории, и это прекрасная встреча. Первая — история предсказания. В 1948 году Георгий Гамов, Ральф Альфер и Роберт Херман, с которыми мы познакомились в прошлую ночь, рассчитали, как горячая, плотная молодая Вселенная могла построить лёгкие ядра в первые минуты. В последующие годы другие физики уточняли расчёты, используя более точные измерения того, как ведут себя протоны и нейтроны. Чтобы довести детали их работы до точности, понадобилось много лет, но главный результат остался прежним: молодая Вселенная должна была создать в основном водород и около четверти гелия.

Вторая история началась ещё раньше, с молодой женщины по имени Сесилия Пейн. В 1920-х годах она была студенткой, работавшей в обсерватории и изучавшей свет звёзд. В ночь разбегающихся галактик мы видели, что свет можно разложить в спектр — полосу цветов с тёмными линиями. Каждый элемент оставляет свой собственный узор линий. Долгое время астрономы полагали, что раз в спектре Солнца видны линии железа и многих других элементов, то Солнце должно состоять примерно из того же, что и Земля.

Пейн воспользовалась новыми идеями физики, чтобы понять, как температура звезды меняет узор её линий. Учтя это, она пришла к поразительному выводу. Звёзды состоят в основном из водорода и гелия. Более тяжёлые элементы там есть, но лишь в небольших количествах. Она закончила эту работу в 1925 году. В то время эта мысль казалась настолько невероятной, что один уважаемый старший астроном убедил её написать, что её результат, вероятно, не соответствует действительности. Несколько лет спустя другие астрономы, в том числе тот самый старший астроном, пришли к тому же выводу другими путями. Пейн была права.

Стоит на минуту задуматься о положении Пейн. Она была молода, она была женщиной в области, где немногим женщинам позволяли заниматься такой работой, и её результат противоречил тому, во что верили почти все. Многие на её месте отказались бы от этой мысли. Она от работы не отказалась. Она была тщательна, опубликовала её, и свидетельства были доступны другим для проверки. Сегодня её результат — одна из основ астрономии.

Соедините две истории, и проявится нечто замечательное. Физики спрашивали, что должны были создать первые несколько минут. Астрономы измеряли, из чего на самом деле состоят звёзды и газовые облака. Оба ответа указывают на одно и то же: Вселенная состоит в основном из водорода, и около четверти в ней — гелий. Когда астрономы измеряют самые старые газовые облака и самые старые звёзды, которые меньше всего успели измениться под действием более поздних звёзд, количества хорошо согласуются с предсказанием.

Одна из самых сильных улик

В первую ночь эта книга назвала три главные улики того, что у Вселенной было горячее, плотное начало. Первая — галактики разбегаются. Вторая — самый древний свет. Третья — история этой ночи: количество самых лёгких элементов. Эта третья улика особенно сильна, потому что это проверка числами. Теория, которая говорит только «когда-то было горячо», могла бы подойти ко многим результатам. Теорию, которая говорит «около одной четверти гелия, не половина и не десятая часть», можно проверить, и она могла бы не выдержать проверки.

Она выдержала. Гелий есть примерно в нужном количестве, куда бы ни посмотрели астрономы, — в старых звёздах и в газе между галактиками. Следы тяжёлого водорода тоже соответствуют предсказанию. А числа, полученные по этим лёгким элементам, согласуются с числами, полученными совершенно независимо по узорам в самом древнем свете. Два очень разных вида измерений, сделанных очень разными приборами, рассказывают одну и ту же историю о молодой Вселенной.

Есть и проверка, которую можно провести на Земле. Строительство лёгких ядер зависит от того, насколько легко протоны и нейтроны соединяются при данной температуре. Эти скорости не угаданы. Их измеряют в лабораториях, где установки сталкивают протоны и другие частицы друг с другом и подсчитывают, что получается. В расчётах первых минут используются именно эти измеренные числа. В этом смысле маленькая лаборатория на Земле и вся молодая Вселенная подчиняются одним и тем же правилам.

Нужно честно упомянуть одну загадку. Количество лития, которое астрономы находят в некоторых очень старых звёздах, меньше, чем предсказывают расчёты первых минут. Учёные до сих пор выясняют почему. Возможно, что-то внутри этих старых звёзд постепенно разрушило часть их лития. Возможно, что-то в расчётах нужно улучшить. Эта загадка пока не до конца понята. Но это маленькая загадка внутри большого согласия, и она не меняет основной картины первых нескольких минут.

Стоит знать и о том, чего первые минуты не создали. Они не создали почти ничего тяжелее лития. Не было ни углерода, ни кислорода, ни железа, ни золота. Вселенная, вышедшая из первых минут, была очень простой: водород, гелий, немного их близких родственников — и ничего больше. Все остальные элементы, включая кислород, которым вы дышите, и углерод в каждом живом существе, пришлось создавать позже. Эту работу выполнили звёзды, и их история относится к следующим ночам.

Так что, держа в руке стакан воды, вы держите две очень разные истории. Кислород в нём был создан внутри звёзд, спустя долгое время после начала. Но водород — те самые «два» в двух атомах водорода и одном атоме кислорода — был создан в первые несколько минут, около 13,8 миллиарда лет назад. Этот водород побывал в облаках, звёздах, кометах, океанах и дожде. Теперь он в вашем стакане.

Перед сном

Перед сном Нур наполнила ещё один пакет чистой водой и медленно выпила её у иллюминатора. Земля внизу была освещена солнцем. Она видела синеву океана, усеянного белыми облаками, и край побережья. Вся эта вода, подумала она, и в каждой капле — тот же древний водород, ждущий сквозь миллиарды лет.

Она написала Сами: «Вода, которую ты сегодня разгружал, очень старая. Водород в ней образовался в первые двадцать минут Вселенной. Твои ящики были тяжелее, чем ты думал». Сами ответил, что его спина уже сообщила ему об этом, спасибо. А потом добавил, что посмотрит на следующую бутылку немного иначе.

Аде, который видел, как она пишет, спросил, что она рассказывает брату сегодня. Когда она объяснила, он немного помолчал, а потом сказал, что прочитал каждую страницу руководства к водяной машине и ни разу не подумал о воде как о старой. Томас сказал, что в этом и беда специалистов: они знают вещь так хорошо, что забывают ей удивляться.

Завтра или сегодня вечером вы тоже, возможно, нальёте стакан воды в конце рабочего дня. Не нужно каждый раз думать о Вселенной. Но однажды, может быть, вы подержите стакан мгновение, прежде чем выпить. У вас в руке нечто, созданное почти в самом начале времени, и оно проделало очень долгий путь, чтобы до вас добраться.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что все элементы образовались в Большом взрыве. Это кажется естественным, ведь Большой взрыв — начало всего. Но первые несколько минут создали только самые лёгкие элементы: водород, гелий и крошечное количество лития. Более тяжёлые элементы, такие как углерод, кислород, железо и золото, образовались гораздо позже — внутри звёзд и в бурных событиях в конце жизни некоторых звёзд. Вселенная началась простой и со временем становилась богаче.

Многие также думают, что гелий — редкий элемент, потому что на Земле большинство людей знает его только по воздушным шарикам для праздников, и его иногда не хватает. На самом деле гелий — второй по распространённости элемент во Вселенной после водорода. На Земле он редок по другой причине. Гелий очень лёгкий и не соединяется с другими элементами, поэтому любой гелий в воздухе постепенно улетучивается в космос. Бо́льшая часть гелия, который люди добывают на Земле, поступает из глубоких подземных слоёв, где он медленно образуется при распаде некоторых видов атомов в горных породах. А во Вселенной гелий повсюду.

Наконец, многие представляют себе, что первые несколько минут — сплошные догадки, ведь никто их не видел. Верно, что никто не наблюдал, и верно, что некоторые вопросы о самых ранних мгновениях до сих пор открыты, как мы увидим в следующую ночь. Но эта часть истории — одна из самых хорошо проверенных. Она опирается на ту же физику, которую тщательно измеряют в лабораториях на Земле, делает ясные предсказания в числах, и эти предсказания согласуются с тем, что астрономы измеряют на небе. В следующую ночь мы отправимся ещё дальше назад, во время, когда не существовало даже протонов и нейтронов, и там почва у нас под ногами станет гораздо менее твёрдой.