Бил Брайсън
Кратка история на почти всичко (3)

1. Как да изградим вселена

Колкото и усилено да се опитваме, никога няма да можем да разберем просто колко мъничък е, колко скромно място заема в пространството един протон. Просто твърде малък е.

Протонът е безкрайно малка част от атома. Протоните са толкова мънички, че едно топване мастило като за точката в i-то може да съдържа около 500 000 000 000 от тях. Това е доста повече от броя секунди, съдържащи се в половин милион години. Така че, може да се каже, че протоните са изключително микроскопични.

Сега да си представим, ако можем (а вие сигурно не можете), как този протон се свива до милиардна част от нормалния си размер в толкова малък обем спрямо него, че един нормален протон ще изглежда огромен. Да поставим в този мъничък, мъничък обем около пет грама материя. Отлично. Готови сме да сложим началото на вселена.

Предполагам, разбира се, че желаем да изградим инфлационна (раздуваща се) вселена. Ако вместо това предпочитаме да изградим една по-старомодна, стандартна вселена от типа на тази след Големия взрив, ще са ни нужни допълнителни материали. Всъщност, ще е нужно да съберем всичко, което е в наличност — до последната прашинка и частица материя, които се намират между тук и крайната част на сътворението — и да го вмъкнем в място, което е толкова безкрайно малко и компактно, че въобще няма размери. Това е познато като сингуларност.

И в двата случая трябва да сме готови за наистина голям взрив. Естествено, ще искаме да се оттеглим на безопасно място, за да наблюдаваме зрелището. За съжаление, няма къде да се оттеглим, защото извън сингуларността няма нищо и никъде. Когато вселената започне да се разширява, тя ще се разпростира, за да запълни една по-голяма пустота. Единственото пространство, което съществува, е това, което тя създава, докато се развива.

Естествено е, но е погрешно да си представяме сингуларността като един вид бременна точка, висяща в тъмна, безкрайна пустота. Обаче няма пространство, няма тъмнина. Сингуларността няма „около“ около нея. Няма пространство, което да заеме, няма място, където да бъде. Дори не можем да попитаме откога е там — дали скоро се е появила, като една добра идея, или е била там винаги, тихо чакаща подходящия момент. Времето не съществува. Няма минало, от което да се появи.

И така, от нищото започва нашата вселена.

В един-единствен ослепяващ импулс, в един момент на величие, твърде бърз и експанзивен, каквито и думи да използваме, сингуларността приема божествени измерения, пространство извън всякаква представа. През първата изпълнена с жизненост секунда (секунда, на която много космолози ще посветят кариерата си, разделяйки я все по-фино и по-фино) е създадена гравитацията и други сили, които управляват физиката. За по-малко от минута вселената се разпростира милиони милиарди километри и бързо нараства. Сега има много топлина — десет милиарда градуса — достатъчно, за да започнат ядрените реакции, които създават по-леките елементи — главно водород и хелий, с примес (около един атом на сто милиона) на литий. За три минути 98% от цялата материя, която съществува или някога ще съществува, е била произведена. Вече имаме вселена. Тя е удивително място, предлагащо най-чудесни и приятни възможности, а също и красиво. И всичко това е станало приблизително за време, колкото да се направи един сандвич.

Кога се е случил този момент е въпрос на дебат. Космолозите отдавна спорят дали моментът на Сътворението е бил преди 10 милиарда години или преди двойно повече време, или е бил някъде по средата. Консенсусът изглежда, че се е насочил към числото около 13,7 милиарда години, но се знае, че тези неща трудно се определят, както ще видим по-нататък. Всичко, което наистина може да се каже, е, че в някакъв неопределен период в много далечното минало поради незнайни причини е дошъл моментът, известен на науката като t=0. Оттогава ние сме били на път.

Разбира се, има много неща, които не знаем, и много от нещата, които мислим, че знаем, не сме знаели, или пък сме мислели, че знаем отдавна. Идеята съществува от 1920-те, когато Жорж Льометр, белгийски свещеник и учен, за първи път опитва да я предложи, но всъщност тя не става преобладаващо схващане в космологията до средата на 1960-те, когато двама млади радио астрономи случайно правят едно изключително откритие.

Имената им са Арно Пензиас и Робърт Уилсън. През 1965 г. те Опитвали да използват една голяма съобщителна антена притежание на лабораториите Бел в Холмдел, Ню Джърси, но имали проблем с наличието на неспиращ фонов шум — едно постоянно свистене, което правело невъзможно да се извършва експериментална работа. Шумът бил неотслабващ и нефокусиран. Идвал от всяка точка на небето, ден и нощ, през всички сезони. Цяла година младите астрономи правели всичко, което било по силите им, за да открият и елиминират шума. Тествали всяка електрическа система. Направили наново прибори, Проверили електрически вериги, размествали жици, почиствали щепсели. Качили се в чинията, като поставили и облепили с лепенка всяка спойка и нит. Отново се качили в чинията с метли и твърди четки, и внимателно я почистили от това, което по-късно в един труд посочили като „бял диелектричен материал“ или птичи тор, както е по-известно. Нищо от това, което опитали, не довело до резултат. Без те да знаят, само на 50 километра от тях — в Принстънския университет, екип от учени начело с Робърт Дике работел върху откриването именно на това, което те толкова усилено се опитвали да премахнат. Изследователите от Принстън следвали идеята, която била лансирана през 1940-те от родения в Русия астрофизик Джордж Гамов, че ако се търси достатъчно навътре в пространството, ще се намери някакво космическо фоново лъчение, остатък от Големия взрив. Гамов изчислил, че преминавайки през огромната шир на космоса, лъчението ще достигне Земята във формата на микровълни. В един по-скорошен труд той дори посочва инструмент, който би могъл да се използва за целта: антената на Бел в Холмдел. За съжаление, нито Пензиас, нито Уилсън, нито пък някой от екипа на Принстън не бил прочел труда на Гамов.

Шумът, който Пензиас и Уилсън чували, бил, разбира се, шумът, който Гамов постулирал. Били открили края на вселената или поне на видимата й част, на разстояние 150 милиарда трилиона километра. Те „виждали“ първите фотони — най-древната светлина във вселената, въпреки че времето и разстоянието са ги превърнали в микровълни, точно както Гамов предсказал. В книгата си Инфлационната вселена Алън Гът предлага аналогия, която спомага да се види това откритие в перспектива. Ако възнамерявате да надникнете в дълбините на вселената, като че ли гледате надолу от стотния етаж на Емпайър Стейт Билдинг (като стотният етаж представлява сегашният момент, а нивото на улицата е моментът на Големия взрив), по времето на откритието на Уилсън и Пензиас най-далечните галактики, които някой някога е засякъл, са били на около шейсетия етаж, а най-далечните неща — квазарите — на двайсетия. Откритието на Пензиас и Уилсън избутали нашето познание на видимата вселена до към 1 см от тротоара.

Все още неосъзнаващи какво причинява шума, Уилсън и Пензиас телефонирали на Дике в Принстън и му описали проблема си с надеждата, че може да предложи разрешението му. Дике веднага схванал какво били открили двамата млади хора. „Е, момчета, конкуренцията току-що ни е изпреварила“, казал той на колегите си, затваряйки телефона.

Скоро след това Астрофизикъл Джърнал публикува две статии: една от Пензиас и Уилсън, описваща свистенето, другата от екипа на Дике, обясняваща същността му. Въпреки че Пензиас и Уилсън не са търсели космическо фоново лъчение, не са знаели какво представлява то, когато са го открили, и не са го описали или обяснили в никаква студия, те спечелват Нобеловата награда по физика за 1978 г. Изследователите от Принстън получават само съчувствие. Според Денис Овърбай в Самотни души в космоса нито Пензиас, нито Уилсън са разбирали като цяло значението на това, което са открили, докато не прочитат за него в Ню Йорк Таймс.

Между другото, смущение от космическо фоново лъчение е нещо, което всички сме изпитвали. Нагласете телевизора си на канал, който той не приема, и около 1% от трепкащата картина, която се вижда, се обяснява с тази древна останка от Големия взрив. Следващия път, когато се оплаквате, че не дават нищо по телевизията, помнете, че вие винаги можете да гледате раждането на вселената.

* * *

Въпреки че всеки го нарича Големия взрив, много книги ни предупреждават да не го схващаме като експлозия в традиционния смисъл. Това по-скоро е било огромно внезапно разширяване. Така че, какво го е причинило?

Една от теориите е, че вероятно това особено явление (наричано научно сингуларност) е останка от по-ранна загинала вселена — така че ние сме само една от вечния цикъл на разширяващи се и загиващи вселени — като мех на кислороден болничен апарат. Други отдават Големия взрив на това, което наричат „фалшив вакуум“ или „скаларно поле“, или „вакуумна енергия“ — във всеки случай някакво качество или нещо, което е породило нестабилност в нищото, което е съществувало. Изглежда невъзможно, че може да се получи нещо от нищо, но фактът, че някога не е имало нищо, а сега имаме вселена, е явно доказателство, че може. Вероятно нашата вселена е просто част от много по-големи вселени, някои в различни измерения, а големи взривове стават непрекъснато и навсякъде. Или пък може би пространството и времето са имали съвсем други форми преди Големия взрив — форми, твърде чужди за нас, за да си ги представим — и Големият взрив представлява някакъв вид преходна фаза, при която вселената е преминала от форма, която не разбираме, във форма, която почти разбираме. „Това много се доближава до религиозните въпроси,“ казва пред Ню Йорк Таймс през 2001 г. д-р Андрей Линде, космолог в Станфорд.

Теорията за Големия взрив не е за самия взрив, а за това, какво е станало след него. Има се предвид не много дълго време след това. Като правят много изчисления и наблюдават внимателно какво става в ускорителите за елементарни частици, учените смятат, че могат да видят назад до 10 на степен –43 секунди след момента на сътворението, когато вселената е била все още толкова малка, че е щял да ви бъде нужен микроскоп, за да я видите. Не трябва да ни става лошо всеки път, когато срещнем необикновено число, но може би си струва от време на време да си поразмърдаме мозъка върху някое от тези числа, за да си спомним колко те са умонепостижими и смайващи. Така 10 на степен –43 е 0,0000000000000000000000000000000000000000001 или една 10 милиона милиарда милиарда трилионна част от секундата.^[1]

Повечето от това, което знаем, или смятаме, че знаем за ранните моменти на вселената, е благодарение на една идея, наречена инфлационна теория, изложена за първи път през 1979 г. от младия учен, занимаващ се с физика на елементарните частици тогава в Станфорд, а сега в Масачузетския технологичен институт, на име Алън Гът. Бил на трийсет и две години, и, както той казва, нищо особено не е правил преди това. Може би никога нямало да предложи теорията, ако не присъствал на лекция за Големия взрив, изнесена от самия Робърт Дике. Лекцията накарала Гът да започне да се интересува от космология и по-специално от раждането на вселената.

Крайният резултат бил инфлационната теория, която твърди, че за част от момент след началото на сътворението вселената претърпява внезапно драматично разширяване. Тя се издува — всъщност се състезава сама със себе си, като удвоява размера си всеки 10 на степен –34 секунди. Целият този епизод може би е продължил не повече от 10 на степен –30 секунди — това е една милион милиона милиона милиона милионна от секундата — но променя вселената от нещо, което може да се държи в ръка, в нещо, което е най-малко 10 000 000 000 000 000 000 000 000 пъти по-голямо.

Инфлационната теория обяснява пулсациите и вихрите, които правят възможна появата на вселената. Без тях не би имало късове материя и следователно звезди, а само реещ се газ и вечна тъмнина.

Според теорията на Гът при една десетмилионна от трилионната от трилионната от трилионна секунда се появява гравитацията. След друг абсурдно кратък интервал последва електромагнетизмът, както й слабите, и силните ядрени сили — предмет на физиката. Те биват последвани след още един кратък интервал от появата на рояк елементарни частици — материал за материята. От въобще нищо изведнъж се появяват множество фотони, протони, електрони, неутрони и доста други — между 10 на степен 79 и 10 на степен 89 от всеки вид, според стандартната теория за Големия взрив.

Такива количества, разбира се, са трудно разбираеми. Достатъчно е да знаем, че в един-единствен забележителен момент ние сме дарени с вселена, която е необятна — според теорията най-малко на разстояние сто милиарда светлинни години, но вероятно с всевъзможен размер, стигащ до безкрайност — при това перфектно подредена, за да се създадат звезди, галактики и други сложни системи.

 

Това, което е изключителното от наша гледна точка, е колко добре са се оказали за нас нещата. Ако вселената се е формирала съвсем малко по-различно — ако гравитацията е била една идея по-силна или по-слаба, ако разширяването е протекло съвсем малко по-бавно или по-бързо — то тогава не би имало стабилни елементи, за да създадат вас и мен, както и земята, на която стоим. Ако гравитацията е била съвсем малко по-силна, самата вселена е щяла да се срути като лошо издигната палатка, без наличието на правилни стойности, даващи й правилните измерения, плътност и компоненти. Ако обаче гравитацията беше по-слаба, нищо нямаше да се съедини. Вселената щеше да остане завинаги едно скучно, разпръснато и празно пространство.

Това е една от причините експертите да вярват, че вероятно е имало и други големи взривове, може би трилиони и трилиони такива по време на величествения период на вечността, и че причината ние да съществуваме на именно тази вселена е, че тя е тази, на която можем да съществуваме. Както Едуард П. Трайън от Колумбийския университет се изрази: „В отговор на въпроса, защо се е случило, предлагам скромното предложение, че нашата вселена е просто едно от тези неща, които се случват от време на време.“ Към което Гът добавя: „Въпреки че създаването на вселена е нещо малко вероятно, Трайън подчертава, че никой не е броил неуспешните опити.“

Мартин Рийз, кралският астроном на Великобритания, смята, че има много вселени, вероятно безкраен брой, всяка с различни белези, различни комбинации, и че ние просто живеем на една, на която нещата са в такава комбинация, която ни позволява да съществуваме. Той прави аналогия с много голям магазин за дрехи: „Ако е зареден с много дрехи, не сте изненадани, че сте намерили костюм, който ви става. Ако има много вселени, всяка управлявана от различно множество числа, ще има една, където дадено множество от числа ще е подходящо за живот. Ние сме точно в тази вселена.“

Рийз твърди, че шест числа по-специално управляват нашата планета и ако някоя от тези стойности се променят дори съвсем малко, нещата няма да са такива, каквито са. Например, за да съществува вселената както сега, е нужно водородът да се превръща в хелий по един прецизен начин — по-точно по начин, който превръща седем хилядни от масата му в енергия. Ако се понижи тази стойност съвсем слабо — да кажем от 0,007% на 0,006% — никакво превръщане няма да се осъществи: вселената ще е съставена от водород и нищо друго. Ако се повиши стойността съвсем слабо — до 0,008% — ще има такова изобилие на съединения, че водородът отдавна ще се е изчерпал. И в двата случая при най-малкото променяне на стойностите вселената нямаше да съществува такава, каквато я знаем и от каквато се нуждаем.

 

Бих казал, че нещата са точни засега. В дългосрочен план гравитацията може да се окаже донякъде твърде силна и някой ден вероятно да спре разширяването на вселената, като причини колапса й, когато тя ще се срине в друга сингуларност. Възможно е целият процес да започне отново. От друга страна, гравитацията може да е твърде слаба и вселената ще продължи своя ход завинаги, докато всичко ще се отдалечи толкова много, че няма да има възможност за материално взаимодействие, така че вселената ще стане място, което е инертно и мъртво, но много обширно. Третата опция е гравитацията да е точна — терминът на космолозите е „критична плътност“ — и да поддържа вселената цяла при точно правилните измерения, за да може нещата да продължават безкрайно. Когато гледат по-леко на нещата, космолозите понякога наричат това ефект „златни къдрици“, което означава, че всичко е както трябва. (За сведение тези три възможни вселени са известни съответно като затворена, отворена и плоска.)

Сега въпросът, който всеки от нас си е задавал, е: какво ще се случи, ако отидем до края на вселената и си представим, че си пъхнем главата между пердетата? Къде ще ни бъде главата, ако не е вече във вселената? Какво ще намерим там? Отговорът за жалост е, че не можем да стигнем до края на вселената. Не защото ще отнеме дълго време, за да стигнем дотам — макар че наистина ще бъде дълго — а защото дори и да пътуваме навън по права линия до безкрайност и без да се предаваме, никога няма да стигнем до крайна граница. Вместо това ще стигнем до мястото, откъдето сме тръгнали (при това положение вероятно ще се отчаяме и ще се откажем). Причината е, че според теорията на Айнщайн за относителността (до която ще стигнем по-нататък) Вселената се изкривява по начин, който не можем добре да си представим. За момента е достатъчно да знаем, че ние не носим в някакъв голям, вечно разширяващ се балон. По-скоро пространството се изкривява по начин, който му позволява да бъде безкрайно, но с предели. Не може дори да се каже, че пространството се разширява, защото, както отбелязва Нобеловият лауреат Стивън Уайнбърг, „слънчевите системи и галактики не се разширяват, а и самото пространство не се разширява“. По-скоро галактиките бързо се „разбягват“ една от друга. Това е нещо като предизвикателство към интуицията. Или както биологът Дж. Б. С. Холдейн отлично отбелязва: „Вселената не е само по-чудновата отколкото предполагаме; тя е по-чудновата отколкото можем да предположим“.

Аналогията, която обикновено се прави, за да се обясни кривината на пространството, е да се опитаме да си представим някого от вселена с плоски повърхности, който никога не е виждал сфера, да бъде доведен на Земята. Колкото и да обикаля из пространството на планетата, той никога няма да намери края. Накрая може да се върне в мястото, откъдето е започнал, и, разбира се, ще бъде абсолютно объркан при опита си да обясни как е станало това. Ами че ние сме в същото положение в космоса като нашия озадачен плоскопространствен гостенин, само дето сме объркани от по-големи размери.

Точно както няма място, където да намерим края на вселената, така няма и място, където да застанем в центъра й, и да кажем: „Оттук започва всичко. Това е най-централната част.“ Ние всички сме в центъра на всичко. Всъщност, не го знаем със сигурност; не можем да го докажем математически. Учените просто приемат за даденост, че не можем наистина да бъдем в центъра на вселената — помислете какво ще означава това — но феноменът трябва да бъде еднакъв за всички наблюдаващи на всички места. И все пак, всъщност не знаем дали е така.

За нас вселената се разпростира дотам, докъдето е достигнала светлината през милиардите години след формирането на вселената. Тази видима вселена — вселената, която ние познаваме и за която можем да говорим — е широка един милион милион милион милиони километри. Но според повечето теории вселената като цяло — метавселената, както често я наричат — е доста по-обширна. Според Рийз броят на светлинните години до края на тази по-голяма, непозната вселена няма да бъде изписана „с десет нули, нито дори със сто, а с милиони.“ Накратко, има повече пространство, отколкото можем да си представим, вече без да се затрудняваме да включваме и нещо друго отвъд.

Дълго време теорията за Големия взрив имала един явен пропуск, който тревожел много хора — а именно, че не може да даде обяснение как сме се появили тук. Въпреки че 98% от цялата съществуваща материя е била създадена с Големия взрив, тази материя съдържала главно само леки газове: хелий, водород и литий, които споменахме по-рано. Нито и частица от по-тежките елементи, толкова жизненоважни за съществуването ни — въглерод, азот, кислород и всички останали — не са се появили от газовия бульон на сътворението. Но — и ето го проблемът — за да се получат тези тежки елементи е нужна топлина и енергия като на Големия взрив. Обаче имало е само един Голям взрив и той не го е направил. Така че откъде са дошли тези по-тежки елементи?

Интересното е, че човекът, намерил отговора на този въпрос, е космолог, който силно ненавиждал Големия взрив като теория и който създал термина „Голям взрив“ като подигравка. Скоро ще стигнем и до него, но преди да разгледаме въпроса как сме дошли тук, може би си заслужава да отделим няколко минути и да помислим къде поточно се намира това „тук“.