Награда за сотворение мира

Нобелевскую премию по физике за 2019 год получили канадец Джеймс Пиблс (Принстонский университет, США), а также швейцарцы Мишель Майор и Дидье Кело (Женевский университет, Швейцария). Первый внес большой вклад в теорию космологии, а оба швейцарских астронома первыми открыли планеты у звезд, подобных Солнцу. Про экзопланеты, счет которым пошел уже на сотни, «Химия и жизнь» рассказывала не раз (см. 2008, № 7, 2010, № 7), поэтому остановимся на целостной картине мира, полученной, в частности, и стараниями нобелевского лауреата этого года.

Хроника Большого взрыва

Рисунок Жана Эффеля

При выработке такой модели Вселенной, которая наиболее полно отражает реальность, исследователи выдвигали порой взаимоисключающие концепции, долго спорили, придумывали, за счет каких наблюдений можно установить истину и что за приборы нужны для таких наблюдений. В конце концов и была создана модель, которая теперь многим известна под именем Большого взрыва. Она более-менее надежно описывает судьбу Вселенной, однако не с момента ее возникновения, а спустя некоторое, небольшое, время — с первых мгновений зарождения вещества, то есть той формы материи, что состоит из атомов или их ионов и электронов; именно с этого времени сохранились реликты, которые можно наблюдать имеющимися в распоряжении астрономов приборами и на основании наблюдений проверить теорию. Вот как вкратце выглядит история Вселенной в этой модели.

В тот момент, откуда физическая космология начинает отсчет времени, Вселенная представляет собой сгусток очень горячей и плотной плазмы из смеси протонов с электронами и позитронами. В нем присутствуют электрически незаряженные нейтрино, нейтроны и фотоны и, видимо, остающаяся по сей день загадочной, темная материя, обсуждение которой выходит за рамки этого повествования. Вселенная стремительно расширяется, вследствие чего сгусток остывает, а его плотность падает.

Все компоненты сгустка находятся в состоянии термического равновесия, то есть их относительные количества определены текущей температурой. Так получается потому, что в сгустке идет постоянное преобразование одних компонентов в другие. Так, фотоны — а в эту эпоху они обладают чудовищной энергией и представлены гамма-квантами, — сталкиваясь, порождают пары электрон—позитрон. Электрон, сталкиваясь с позитроном, как и положено при соприкосновении материи и антиматерии, аннигилирует, становясь снова гамма-квантами. Иногда разогнавшийся электрон влетает в протон и превращает его в нейтрон. Но если теперь в нейтрон попадет позитрон, то получится снова протон. Скорости всех этих реакций определяют температура вещества и его плотность.

Ядра атомов, то есть соединение нейтронов и протонов в единый объект, стали возникать позже. Причина в том, что хотя плотность вещества была огромна, миллиард миллиардов протонов и нейтронов в кубическом сантиметре, она все же оказалась ничтожной по сравнению с плотностью излучения — если пересчитать по формуле Эйнштейна его энергию в массу; космологи так и говорят, что это была эпоха безусловного доминирования излучения. Вездесущие фотоны огромных энергий сразу же отщепляли друг от друга нейтроны и протоны, которые пытались слиться даже в простейшее составное ядро — дейтрон.

Однако мгновения сменялись мгновениями, Вселенная расширялась , и в силу действия закона Допплера энергия фотонов падала, причем весьма стремительно, гораздо быстрее, чем плотность вещества. И вот однажды была преодолена красная линия — энергии фотонов перестало хватать на разрушение дейтронов. Мир радикально изменился. Во-первых, нарушилось тепловое равновесие компонентов — спектр фотонов перестал определяться температурой вещества. Эти древние фотоны выжили, сохранились до наших дней и составили первый важнейший реликт Большого взрыва — реликтовый фон излучения, несущий информацию об этой эпохе. А во-вторых, все получившиеся к тому времени нейтроны слились с протонами и создали ядра дейтерия. Так был запущен синтез химических элементов — нуклеосинтез.

Этот первичный дейтерий не выжил — плотность вещества и его температура были столь высоки, что пошел термоядерный синтез и весь дейтерий сгорел, превратившись в гелий-4 с небольшой добавкой гелия-3 и лития-7. А дальше нуклеосинтез не пошел — плотности вещества уже не хватало для того, чтобы запустить слияние ядер гелия. Этот гелий — второй важнейший реликт Большого взрыва. Третий – неучаствовавшие в нуклеосинтезе и сохранившиеся в неизменном виде ядра водорода — протоны.

Возникновение ядер, впрочем, не привело к образованию атомов; силы излучения были еще велики, и, если электрон пытался соединиться с ядром, налетевший фотон тут же разрывал эту некрепкую связь. Лишь спустя несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва покрасневшие из-за расширения Вселенной реликтовые фотоны настолько ослабели, что утратили способность разрушать атомы.

С момента образования атомов Вселенная приобрела электрическую нейтральность, после чего на малых масштабах силы электрического отталкивания уже не могли противостоять силе гравитационного притяжения — стало возможным локальное гравитационное сжатие разлетающегося вещества.

Ну а дальше в силу каких-то случайностей, флуктуаций в распределении вещества, пульсаций единое водородно-гелиевое облако стало распадаться под влиянием сил гравитации. В области каждой флуктуации вещество уплотнялось, и эти области обособлялись, втягивая в себя вещество из ближайших окрестностей, которые становились в общем-то пустыми, заполненными в лучшем случае крайне разреженным газом по большей части из протонов и электронов. Так формировались крупномасштабные структуры Вселенной — будущие скопления галактик. Эти структуры оставили свой след в виде анизотропии реликтового излучения — он стал еще одним свидетельством древних событий, которое очень пригодилось космологам для создания грандиозной картины развития нашего мира.

Сжатие шло неравномерно, облака дробились на все более плотные образования — в этих неоднородностях впоследствии сформировались галактики, а с ними и звезды с планетными системами. И по крайней мере на одной из них появилась жизнь, а потом и разумные существа, в том числе люди, наученные многим наукам, в частности физики, которые благодаря смелой мысли, бойкому перу и острому глазу сумели познать, как оно всё было там, за миллиарды световых лет от нас, в начале начал.

Сегодня, согласно как расчету космологов, так и наблюдениям астрономов, наш мир выглядит так. Вселенная начала расширяться 13,9 млрд лет тому назад. Постоянная Хаббла, характеризующая скорость такого расширения, — 720 км/c на мегапарсек. Кривизна пространства равна 0. Масса темной энергии — 74%, масса темной материи — 21%, масса вещества — 4,4%, масса нейтрино — менее 2%, масса излучения несколько менее сотой доли процента. В одном кубическом сантиметре в среднем содержится 9,7⋅10^­-30 граммов всех видов массы.

Что же касается тех немногих процентов массы Вселенной, которые приходятся на вещество, то они распределены следующим образом: 4,2% составляет межзвездные и межгалактические облака плазмы, 0,22% — звезды, 0,05% — останки звезд и 0,08% — атомные и молекулярные облака в межзвездном пространстве. При этом 73% вещества Вселенной представлена водородом или его ядрами, 25% — это гелий, а остальные 2% — прочие элементы таблицы Д.И.Менделеева.

Масса, приходящаяся на планеты и все, что на них находится, столь мала, что подсчитать ее не представляется возможным. Однако именно эта ничтожная доля веществ и интересует нас больше всего, причем не только в бытовом плане, но и в мировоззренческом: каковы пределы для распространения рода человеческого и есть ли они.

Благодаря мастерству двух других нобелевских лауреатов 2019 года, Мишеля Майора и Дидье Кело, к настоящему времени открыто несколько сотен каменистых планет земного типа. И это означает, что непреодолимых пределов перед человеком не стоит. В 1976 году в журнале «Вопросы философии» член-корреспондент АН СССР И.С.Шкловский опубликовал важную статью по этой теме — «О возможной уникальности разумной жизни во Вселенной». В ней он предложил всего один путь развития технической цивилизации — неограниченная космическая экспансия. Вот обоснование этого тезиса: «Уже сейчас ясно, что количественный экспоненциальный рост производительных сил в перспективе ближайшего столетия может сделать нашу планету непригодной для жизни (перегрев поверхности Земли, разрушение озоносферы, сверхперенаселение, катастрофическое загрязнение воздуха и воды и прочее). По этой причине отдельные авторы на Западе все чаще высказываются за необходимость остановки роста производительных сил и их дальнейшего строгого регулирования (концепция «равновесного состояния» цивилизации). Однако можно ли себе представить чисто качественное развитие какой-либо цивилизации (в частности, земной) без количественного роста, то есть без непрерывной экспансии? Думается, что нет. Как можно, например, такой цивилизации запретить освоение космического пространства и использование его практически неограниченных материальных и энергетических ресурсов? Как можно запретить постепенный вынос в космическое пространство технологии, вредно действующей на окружающую среду и даже разрушающую ее? Закономерно начатый на определенном этапе развития цивилизации логически неизбежный процесс освоения Космоса должен стать неодолимым, подобно освоению новых земель и Мирового океана в эпоху великих географических открытий». Оптимизма в деле неограниченной экспансии Шкловскому придавал установленный факт отсутствия следов развитых цивилизаций в сфере радиуса не менее 300 парсек от Солнечной системы, то есть содержащей миллионы звезд: в этом случае экспансия человечества очень долго не встретит сопротивления других разумных рас и даже при их наличии вполне может считаться неограниченной.

С обнаружением многочисленных каменистых, то есть потенциально пригодных для нашей жизни планет у других звезд идея космической экспансии человечества обретает под собой почву. Ну а удастся ли на этой почве возвести стройное здание, которое послужит убежищем для человечества, зависит от таланта физиков и инженеров; именно они способны открыть неведомые ныне способы преодоления пространства-времени и воплотить их в грандиозные машины будущего.