За последние несколько сотен лет человеку открылись многие тайны Вселенной. Но чем дальше мы движемся по пути ее постижения, уходим от нашего «незнания», тем более удивительной и таинственной она предстает перед нами.
Здесь необходимо сделать несколько терминологических пояснений. Слово «вселенная» возникло в русском языке как калька греческого «ойкумена», то есть «заселенная земля». Советский энциклопедический словарь трактовал его как «весь существующий материальный мир». В европейских языках преимущественно употребляется латинский термин «универсум», тоже означающий «все сущее». При обозначении вселенной как астрономического объекта это слово пишут с большой буквы. В рамках концепции множественности вселенных уместно при выборе обозначений использовать имеющийся прецедент, относящийся к галактикам. Поскольку в значении «наша» слова «Галактика», «Млечный Путь» пишутся с большой буквы, такое же написание можно применять и в отношении «Вселенной».
Идея схематичной карты Вселенной принадлежит Шелдону Ли Глэшоу, нобелевскому лауреату по физике, родители которого были эмигрантами из Российской империи, где они носили фамилию Глуховские. Упор в ней сделан не на соблюдение масштабов, а на описание ее важнейших структурных составляющих. При соблюдении точных пропорций Млечный Путь в рамках отображенных на карте размеров Вселенной имел бы в сравнении с ней величину вируса, а наша Солнечная система была бы внутри него меньше атомного ядра.
Вселенная представлена на карте в виде пяти концентрических оболочек. Солнечная система располагается в центре, хотя, конечно, ни Солнце не находится в середине Галактики, ни Земля — в «сердце» нашей звездной системы. В то же время, если мы одни во всем мире, такое положение на этой схеме вполне отвечает ее роли и значению во Вселенной, конструкция которой, согласно антропному принципу, «приспособлена» к возникновению жизни и Разума.
Радиус Солнечной системы равен примерно одной тысячной светового года. Вторая оболочка содержит Млечный Путь, имеющий радиус порядка 40 тыс. световых лет. Звезды, видимые на небе невооруженным глазом, лежат в ее пределах. Третья сфера простирается на расстояние до миллиарда световых лет и включает в себя иные галактики.
Квазары являются «жителями» четвертой оболочки Вселенной, которая находится уже в миллиардах световых лет от Земли. По современным представлениям, эти мощные и компактные источники излучения связаны с существованием в природе черных дыр. Квазары способны испускать в тысячу раз больше света, нежели галактики. Поэтому мы и можем разглядеть их на столь огромных расстояниях. Такой объект, будь он расположен в нескольких тысячах световых лет от нашей планеты, был бы столь же ярким, как и Солнце.
Пятая оболочка соответствует расстояниям, сравнимым с возрастом Вселенной, оцениваемым ныне в 13,7 млрд лет. На дистанциях, отвечающих этому числу световых лет, находятся объекты, относящиеся к периоду ранней Вселенной. Тонкий наружный слой карты Вселенной соответствует первой половине миллиона лет ее существования.
По сегодняшним представлениям о возникновении нашей Вселенной, есть некая первозданная сущность, ее первооснова. Согласно современным теоретическим воззрениям, она обладает вполне конкретным обличием и описанием. Ее название — скалярное поле, носители которого — так называемые скалярные частицы. Слово «скалярные» определяет их очень важную квантовую характеристику: они не имеют спина, то есть он равен нулю. Если представлять элементарную частицу в виде шарика (на самом деле ничего подобного нет, это только наглядная аналогия, удобная для пояснения данного свойства), то наличие спина означает, что такой шарик должен быть вращающимся. Английское слово spin и переводится как «вращение». Спин частицы выражается или в целочисленных значениях постоянной Планка (частицы с таким свойством называются бозонами), или равен ее полуцелому значению. В последнем случае общее название частиц с таким спином — фермионы. Бозонами именуют все так называемые промежуточные частицы — переносчики взаимодействий. К ним, например, относятся фотоны, а также глюоны (от английского glue — клей), скрепляющие кварки, из которых состоят ядерные частицы. Фермионами являются электроны, протоны, нейтроны, кварки и т.д. Размерность постоянной Планка равна размерности момента количества движения (углового момента), который в классической механике характеризует вращательное движение твердых тел. На этом факте и основана, собственно, вышеприведенная классическая аналогия квантового свойства элементарных частиц — наличия спина.
Скалярные частицы не имеют спина и являются бозонами. Их называют еще частицами Хиггса или хиггсонами — по имени английского теоретика, который ввел в теоретическую физику представление о скалярном поле как источнике массы известных нам частиц. Важнейшее свойство бозонов — возможность нахождения сколь угодно большого числа таких частиц в одном и том же состоянии (фермионы, напротив, исключительные «индивидуалисты»: в одном и том же квантовом состоянии может находиться только один. Такой характеристикой обладают электроны. Именно она — первопричина объяснения различных химических свойств веществ). «Коллектив» скалярных частиц также имеет ключевое значение для понимания свойств квантового вакуума.
В ближайшем десятилетии, как надеется абсолютное большинство физиков, изучающих элементарные частицы, с помощью Большого адронного коллайдера в ЦЕРНЕ удастся экспериментально доказать существование одного из типов скалярных частиц, который ответственен за то, что электроны «получают» массу и наличие которого позволяет понять причины столь разного проявления единого (электрослабого) взаимодействия в виде электромагнитного и слабого (последнее, например, характеризует радиоактивный распад ядер) взаимодействий.
Скалярные частицы, которые принимали непосредственное участие в «сотворении мира», назвали инфлатонами. Скалярное поле, сопоставляемое вакуумному состоянию, обладает многими необычными свойствами. В конечном счете они приводят к тому, что если раздувание применительно к «обычной» материи практически делает ее плотность (и энергию) равной нулю, то энергия скалярного поля в таком процессе начинает возрастать. И в момент завершения периода инфляции (раздувания) накопленная энергия скалярного поля высвобождается, что и знаменует момент Большого взрыва.
И потом возникают Жизнь и Разум!
Известный английский астрофизик Фред Хойл, исходя из важной роли углерода для земной формы жизни, отметил следующий поразительный факт. Для создания ядра этого элемента в недрах звезды необходимо, чтобы происходило почти одновременное столкновение трех ядер гелия. Возникновение углерода идет через первоначальное формирование нестабильного ядра химического элемента бериллия-8, образованного столкновением двух ядер гелия, а затем слияния его с третьим ядром атома гелия. Для осуществления последнего этапа необходимо совершенно определенное значение величины тепловой энергии ядер последнего. Такая счастливая случайность (нет никаких физических запретов на то, чтобы такого совпадения не было) и обеспечивает эффективный синтез углерода в недрах звезд. Мало того: при следующем столкновении синтезированного ядра углерода с ядром гелия возникает кислород. Интенсивность его образования в определяющей степени зависит от величины тепловой энергии сталкивающихся ядер. И чем активнее идет такой процесс, тем больше ядер углерода исчезает в нед¬рах звезд и тем меньше остается шансов на появление жизни в углеродной форме. Но Природа устроила так (значения физических констант именно таковы, какие они есть), что если в первом случае значение тепловой энергии достаточно для интенсивного синтеза ядер углерода, то во втором оно ниже того значения, которое требуется для ядерного сгорания углерода с возникновением кислорода…
Полтора десятка лет тому назад у многих физиков и историков науки возникло впечатление, что ученые уже почти достигли вершин в понимании свойств микро- и макромира. Появилось даже такое выражение: с ХХ в. ушла в историю эпоха «великих географических открытий» в области естественных наук. Но прошло меньше десятилетия, и выяснилось, что человечество еще весьма далеко от понимания строения материи, которая отнюдь не исчерпывается известным нам веществом. Постижение тайны темной материи может оказаться вполне сродни открытию первой элементарной частицы — электрона. Электрическая энергия, извлеченная человеком из недр вещества с ее помощью, является сегодня основой бытия технологической цивилизации. Вторая частица — протон (будучи в единстве с электроном, она образует ядро водорода, а в «содружестве» с нейтроном, ближайшим «родственником», — ядра всех остальных химических элементов) — обеспечила появление атомных электростанций (и, к сожалению, ядерной бомбы). Иными словами, изучение нового типа материи вполне может со временем привести человечество к овладению новыми источниками энергии.
А открытие существования темной энергии не менее фундаментально, чем микромира. Из формулы Эйнштейна, которая связывает между собой массу и энергию, можно заключить, что энергия является производным понятием от материи. Но Вселенная через существование в ней некой таинственной субстанции уже «сообщила» нам, что это вовсе не так. Ее назвали темной энергией, чтобы подчеркнуть невозможность ее сопоставления известным из земного опыта (включающего и наблюдения за Вселенной, интерпретируемые на основе установленных на Земле законов) проявлениям материи.
Наличие темной материи и темной энергии показывает, что наши представления об окружающем нас мире — это суждения ученика первого класса, для которого все премудрости науки исчерпываются букварем и умением складывать и вычитать в пределах десятка. В то же время можно утверждать, что для постижения Вселенной, которая вовсе не исчерпывается неживой природой и не ограничивается живой, под которой понимается все сущее, но не включающее Разум, необходимо введение новой сущности, не поддающейся описанию в рамках физических законов. Ее можно назвать разумом или сознанием, душой.
Уместно процитировать слова выдающегося астрофизика Харлоу Шепли из его книги «Звезды и люди»: «Но, может быть, имеются и другие сущности, еще не обнаруженные или не выделенные среди других, возможно, даже гораздо большей значимости? Другими словами, нет ли еще хотя бы одного свойства материального мира, которое было бы существенно для приведения Вселенной в движение? …Можно сформулировать вопрос и иначе. Если бы вы располагали четырьмя основными сущностями и обладали полнотой власти и желанием, могли бы вы построить такую же Вселенную, как та, которая существует, только из времени, материи, пространства и энергии? Или вам потребовалось бы какая-то пятая сущность — свойство или дей¬ствие?.. Едва ли можно сомневаться в том, что она существует. Будет ли эта сущность главной и, может быть, более основной, чем пространство или материя, или охватит их, или же она совершенно отлична от сущностей, упомянутых выше? Нужна ли она для того, чтобы во Вселенной, состоящей из звезд, организмов и законов природы, все стало на место и заработало подобно слаженному механизму?»
Для достижения нынешних вершин знания человеку понадобилось около 10 тыс. лет. Именно столько насчитывает история цивилизации. Причем, как и расширение Вселенной, приобретение людьми Знания стало ускоряться. ХХ в. был веком науки, XXI в. будет первым этапом в современном научном поиске.
Исходя из наших знаний о Вселенной, можно быть уверенным, что у человечества определенно есть по меньшей мере еще 10 тыс. лет для развития. Солнце за это время не остынет, континенты и океаны останутся на месте. Земля не столкнется с небесным телом, чужая звезда не вытолкнет ее с нынешней орбиты, весьма благоприятной для жизни людей. Одним словом, внешний мир не грозит опасностями, и у нас есть как минимум этот период времени, чтобы сделать еще одно ускорение, которое вместит в себя 100 (!) таких столетий, как двадцатое.