Глава 8. Когда атомов ещё не было

Ночь 84. Учебная тревога

Тревога на 84-й день была запланирована, но точной минуты экипаж не знал. Земля сообщила им, что учебная аварийная тревога будет когда-нибудь во второй половине дня. Вот и всё. Нур была на середине занятия на велотренажёре, когда по станции прокатился громкий ровный сигнал, а за ним послышался спокойный голос Томаса, объявившего, что это учебная тревога.

Все знали, что делать, потому что много раз отрабатывали это на Земле. Нур отстегнула обувь от велотренажёра, оттолкнулась к месту, где хранились аварийные маски, и натянула одну на лицо. Аде уже был там. Томас зачитывал первые шаги аварийной процедуры, и каждый отвечал своей частью. Они проверили показания, закрыли определённые люки в правильном порядке и перешли туда, где находились бы при настоящей аварии, — поближе к кораблю, который мог бы доставить их домой.

Земля наблюдала и засекала время каждого действия. Примерно через час тревога закончилась, и экипаж коротко обсудил с Землёй, что прошло хорошо, а что можно сделать быстрее. Один люк закрылся дольше, чем следовало. Одна страница перечня операций лежала не на своём месте. Эти мелочи записали, чтобы их исправили задолго до того, как они могли бы иметь значение.

Нур всегда считала учебные тревоги одной из самых обыденных частей любой работы. Люди в офисах, на заводах, в школах и больницах на Земле тоже отрабатывают выход из здания по сигналу тревоги. Они спускаются по лестнице, собираются на парковке или во дворе и ждут, пока кто-то их пересчитает. Чаще всего это кажется немного глупым. Но смысл учебной тревоги в том, чтобы правильные шаги стали такими привычными, что в настоящий плохой день никому не придётся о них думать.

Учебная тревога прошла успешно, но в ту ночь Нур не спалось. Это был не совсем страх. Это было ощущение, что тело приготовилось к тому, что так и не произошло. Она лежала в спальном мешке, привязанном к стене маленькой каюты, и слушала гул вентиляторов. Мысли раз за разом возвращались, шаг за шагом, к процедуре. А потом, раз уж мысли любили возвращаться назад, они ушли ещё дальше — мимо тревоги, мимо прошедшего дня, к тем вопросам, о которых она думала в эти ночи.

Вечером Сами написал ей. Он задал вопрос, на который она не могла ответить быстро: «Если всё время идти назад во времени, ещё до первых минут, — что там? И есть ли точка, где уже никто ничего не знает?» Это был хороший вопрос для бессонной ночи. Честный ответ состоит из двух частей. Двигаясь назад, мы находим мир более странный и более простой, чем любой из известных нам. И да, есть точка, где никто не знает.

Ещё дальше назад

В прошлую ночь мы видели первые несколько минут, когда протоны и нейтроны соединялись, образуя гелий. До этого Вселенная была ещё горячее, и протоны с нейтронами двигались свободно. Сегодня мы снова отправимся дальше назад. Чем дальше назад, тем всё горячее и плотнее. И с ростом температуры то, что мы обычно считаем прочным и постоянным, начинает распадаться.

Вот как это можно представить. Подумайте о льде в кастрюле. Если его нагреть, он становится водой. Нагрейте сильнее, и вода превращается в пар. Молекулы те же, но при каждой температуре они ведут себя по-разному. Теперь представьте, что пар нагревают далеко за пределы всего, что бывает на кухне. Молекулы воды распадаются на атомы водорода и кислорода. Нагрейте их ещё, и электроны оторвутся от атомов. Нагрейте ещё сильнее, и даже ядра распадутся на протоны и нейтроны. Ранняя Вселенная прошла все эти ступени в обратном направлении, от самой горячей к самой холодной, по мере того как расширялась и остывала.

Так что если прокрутить фильм назад от первых минут, мы придём ко времени, когда Вселенная была густым супом из свободных протонов, нейтронов, электронов и света, движущихся с огромными скоростями. Ещё раньше мы придём ко времени, когда даже протонов и нейтронов ещё не было. Они состоят из ещё меньших частей, которые называются кварками. Протон — это маленькая группа из трёх кварков, удерживаемых вместе силой настолько мощной, что в сегодняшней Вселенной кварки никогда не встречаются поодиночке.

С электронами дело обстоит иначе. Насколько удалось измерить, электрон вообще не состоит из меньших частей. По-видимому, это одна из настоящих основных частиц природы, как и сами кварки. Поэтому список самых маленьких кирпичиков обычного вещества удивительно короток: два вида кварков, из которых складываются протоны и нейтроны, и электрон.

Когда Вселенная была чрезвычайно молодой, она была такой горячей, что кварки не были заперты внутри протонов и нейтронов. Они свободно двигались в своего рода горячей плотной смеси вместе с частицами, которые переносят между ними сильное взаимодействие. Потом, когда Вселенной была примерно миллионная доля секунды, она остыла достаточно, чтобы кварки собрались в группы по три. Образовались протоны и нейтроны. С этого момента они стали теми кирпичиками, которыми воспользуются первые минуты.

Миллионная доля секунды звучит как ничто. Это гораздо короче, чем моргнуть. Но в молодой Вселенной за такие короткие промежутки происходило очень многое, потому что всё происходило очень быстро. Физики иногда говорят, что раннюю Вселенную стоит измерять не обычными секундами, а тем, насколько она остыла. Каждая ступенька вниз по температуре приносила новый вид порядка, пока суп постепенно превращался в части нашего мира.

Маленькие капли раннего жара

Как можно изучать время такое короткое и такое горячее? Отчасти ответ в том, что учёные могут воссоздавать на Земле крошечные капли этого жара. В больших установках, которые называются ускорителями частиц, ядра тяжёлых атомов разгоняют почти до скорости света, а потом заставляют сталкиваться друг с другом. На крошечную долю секунды, в пространстве гораздо меньше пылинки, столкновение создаёт температуры, как в очень молодой Вселенной.

В этих крошечных каплях протоны и нейтроны сталкивающихся атомов на мгновение расплавляются на кварки, и образуется горячая смесь. Затем почти сразу она остывает и снова превращается в обычные частицы, которые разлетаются в детекторы вокруг места столкновения. Изучая то, что вылетает, учёные могут узнать, как ведёт себя эта горячая смесь. Так рабочая лаборатория на Земле становится маленьким окошком в первую миллионную долю секунды.

Эти эксперименты принесли сюрпризы. Многие физики ожидали, что горячая смесь кварков будет вести себя как разреженный газ. Вместо этого она ведёт себя скорее как жидкость, причём такая, что течёт почти без всякой вязкости, глаже, чем вода или любая другая жидкость на Земле. Это говорит нам о молодой Вселенной то, чего никто не смог бы угадать, просто размышляя. Хорошее напоминание о том, почему эксперименты важны.

Эти установки — одни из самых больших приборов, какие когда-либо строили люди. Тысячи инженеров, техников и учёных работают на них посменно, днём и ночью. Одни проверяют кабели. Другие пишут компьютерные программы, которые сортируют измерения. Третьи всю ночь следят за экранами и зовут на помощь, когда что-то выглядит не так. Как и станцию, эти установки обслуживает множество людей, аккуратно выполняющих обычную работу, и вместе эта работа дотягивается до начала времени.

Важно ясно понимать, что это значит, а что нет. Установки не создают новую Вселенную и в этом смысле не опасны. Они создают на крошечное мгновение ту же температуру, что была в ранней Вселенной, в очень маленьком пространстве. Поскольку законы физики здесь и там одни и те же, то, что происходит в этом маленьком пространстве, говорит нам, как вела себя ранняя Вселенная при такой температуре. Чем дальше назад мы пытаемся заглянуть, тем более высокая температура нам понадобилась бы, и в какой-то момент она становится гораздо выше той, какой когда-либо сможет достичь любая установка.

Вплоть до времени, когда образовались протоны и нейтроны, и даже немного раньше, учёные довольно уверены в общей картине, потому что температуры тех времён можно проверить таким способом. До этого история становится всё менее и менее определённой. У физиков по-прежнему есть хорошие идеи о более ранних временах, и они применяют те же законы так далеко, насколько эти законы можно проверить. Но чем ближе к самому началу, тем менее твёрдой становится почва.

Люди, которые нашли зеркальные частицы

Одна из самых странных частей истории этой ночи — антиматерия. Звучит как нечто из научно-фантастического фильма, но она реальна, и её открытие — хороший пример того, как иногда работает наука. Около 1930 года один физик работал над уравнениями, описывающими поведение электронов, движущихся очень быстро. Уравнения как будто говорили нечто неожиданное. Они как будто допускали двойника электрона — с тем же весом, но с противоположным электрическим зарядом.

Поначалу многие физики не знали, что с этим делать. Возможно, это была лишь странная особенность математики. А потом, в 1932 году, молодой исследователь, фотографировавший следы, оставленные частицами, прилетающими из космоса, увидел след, который изгибался не в ту сторону. Это была частица, похожая на электрон, но с положительным зарядом. Двойник оказался настоящим. Его назвали позитроном. Позже учёные обнаружили, что у каждого вида частиц есть такой зеркальный двойник. Вместе эти двойники называются антиматерией.

Антиматерия — история не только для физиков. Сегодня её получают в лабораториях, а некоторые больницы используют её каждый рабочий день. При одном из видов медицинского обследования пациент получает небольшое, тщательно отмеренное количество особого вещества, которое испускает позитроны внутри тела. Когда позитрон встречает обычный электрон, оба исчезают, превращаясь в маленькую вспышку энергии, и аппарат вокруг пациента регистрирует эту вспышку. Врачи используют такие обследования, чтобы увидеть, как работают части тела. Где-то этой ночью медсестра или лаборант в ночную смену, возможно, готовит именно такое обследование.

Этот фокус с исчезновением — ключ к загадке этой ночи. Когда частица встречает своего двойника из антиматерии, оба исчезают, оставляя после себя только энергию. А в горячей молодой Вселенной частицы и их двойники всё время рождались из энергии и снова уничтожались. Если бы вещества и антивещества было в точности поровну, то по мере остывания Вселенной они встретились бы и полностью уничтожили друг друга. Не осталось бы ничего, кроме света. Не было бы ни звёзд, ни планет, ни людей.

Но кое-что осталось. По причинам, которых мы пока не понимаем, был очень небольшой избыток вещества — примерно одна лишняя частица на каждый миллиард пар. Когда великая встреча закончилась, пары превратились в свет, а небольшой избыток остался. Всё, что мы видим сегодня, каждая звезда и каждая галактика, сделано из этого крошечного остатка. Почему Вселенная создала чуть больше вещества, чем антивещества, — один из великих открытых вопросов физики. Учёные ищут ответ, но пока его никто не знает.

Где останавливается сегодняшняя физика

Теперь мы подходим ко второй части вопроса Сами. Есть ли точка, где уже никто не знает? Да, есть. Если продолжать прокручивать фильм назад, за первую миллионную долю секунды, Вселенная становится всё горячее и плотнее без всякого известного нам предела. В какой-то момент она становится настолько горячей и плотной, что два наших лучших описания природы перестают сочетаться друг с другом.

Первое из этих описаний — теория тяготения Эйнштейна, которая объясняет, как движутся большие тела, такие как планеты, звёзды и галактики, и как может растягиваться само пространство. Второе — теория, объясняющая мир очень маленьких вещей, таких как атомы и кварки, которую физики называют квантовой теорией. Каждая теория прекрасно работает в своей области. Каждая проверена много раз. Но в самое первое мгновение, когда вся Вселенная была одновременно чрезвычайно маленькой по расстояниям и чрезвычайно нагруженной энергией, понадобились бы обе теории сразу. А способа соединить их в одну теорию, которая работала бы там, пока никто не нашёл.

Эту трудность можно представить так. Вообразите две очень хорошие карты. На одной показана вся страна, с её горами и реками, но на ней нет подробностей мельче города. На другой показана одна улица, дом за домом, но ничего за её пределами. Каждая карта отлично подходит для своей цели. Но если нужно найти дорогу в месте, которое одновременно огромно и полно мельчайших подробностей, ни одной карты по отдельности не хватит, а карту, объединяющую обе, ещё никто не начертил.

Поэтому в самое первое мгновение сегодняшняя физика перестаёт работать. Это мгновение так коротко, что для него нет обычного слова. Оно гораздо короче миллионной доли секунды, короче всего, что когда-либо сможет измерить любые часы. Что тогда произошло и имеет ли вообще смысл слово «тогда», не известно. Некоторые учёные работают над новыми теориями, которые однажды, возможно, смогут это описать. Некоторые их идеи интересны, но ни одна пока не подтверждена свидетельствами.

Это важно сказать прямо, потому что об этом часто говорят неверно. Теория Большого взрыва не описывает самое первое мгновение. Она описывает то, что произошло после него: как горячая, плотная молодая Вселенная расширялась и остывала, создала свои первые элементы, выпустила свой самый древний свет, а позже образовала звёзды и галактики. Эта часть истории подкреплена множеством видов свидетельств. Само первое мгновение и любой вопрос о том, что было до него, всё ещё лежат за пределами того, что мы знаем.

Стыдиться здесь нечего. Хорошая карта честно показывает, где она кончается. На старинных морских картах иногда оставляли пустые места там, где ещё никто не побывал. Эти пустые места были не поражением. Они были приглашением. Точно так же пустое место в самом начале Вселенной — одно из самых интересных мест во всей науке, и многие люди терпеливо работают, чтобы заполнить хотя бы его небольшую часть.

Сообщение для Сами

Где-то над тёмным океаном Нур наконец почувствовала, что засыпает. Перед этим она взяла планшет и написала Сами, у которого уже должен был начаться перерыв: «Ты спрашивал, есть ли точка, где никто не знает. Есть. Чем дальше идёшь назад, за первую миллионную долю секунды, тем меньше уверенности, а в самое первое мгновение не знает вообще никто. Даже лучшие учёные. Не знать — это нормально».

Сами ответил чуть позже. Он написал, что его начальник тоже знает не всё, но делает вид, что знает, и что учёные нравятся ему больше. Нур улыбнулась в темноте каюты. Потом выключила планшет и позволила гулу вентиляторов унести её в сон.

Бывают вечера после работы, когда и ваши мысли не могут остановиться и снова и снова прокручивают уже закончившийся день. В такие вечера есть странное утешение в том, чтобы вспомнить: даже у Вселенной есть начало, которого никто до конца не понимает. Не на каждый вопрос нужен ответ до утра. Некоторые вопросы можно бережно носить с собой всю жизнь, и они всё равно будут хорошей компанией.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что учёные точно знают, что произошло в «нулевой момент», в самое первое мгновение Вселенной. Это не так. Как мы видели этой ночью, наши лучшие теории перестают работать в самое первое мгновение, и теории, которая работала бы там, пока никто не нашёл. Учёные могут уверенно описать то, что происходило начиная с крошечной доли секунды, и чем позднее время, тем больше их уверенность. Но само первое мгновение по-прежнему не известно, и честные учёные так и говорят.

Многие также думают, что антиматерия — всего лишь выдумка научной фантастики. Она реальна. Учёные получают её небольшие количества в лабораториях, частицы антиматерии естественным образом прилетают из космоса, а некоторые медицинские обследования используют её каждый день. Верно то, что в сегодняшней Вселенной антиматерия очень редка, потому что почти вся она давно встретилась с веществом и исчезла. Вот почему мы никогда не встречаемся с антиматерией в повседневной жизни и почему небольшой избыток вещества — такая важная загадка.

Наконец, многие представляют себе, что «Вселенная была очень маленькой» означает, будто она была небольшим предметом, вроде светящегося шара, находящегося внутри большего пустого пространства. Учёные имеют в виду не это. Не было никакого внешнего пространства, в котором Вселенная могла бы находиться. Когда учёные говорят, что Вселенная была маленькой, они имеют в виду, что расстояния между всем, что в ней было, были гораздо меньше, чем сегодня, и что всё было очень тесно упаковано и очень горячо. Вселенная не расширялась в пространство. Растягивалось само пространство. В следующую ночь мы снова двинемся вперёд — в тихое и тёмное время после самого древнего света, когда Вселенная ждала своих первых звёзд.