А что было «до этого»? Откуда взялась эта первичная сверхплотность, которую иногда называют «космическим яйцом»? Неизвестно, можно лишь догадываться. Возможно, космическое яйцо существовало вечно, а потом что-то побудило его расширяться. А возможно, у Вселенной была какая-то предыдущая фаза, когда пространство-время сжималось в соответствии с уравнениями Эйнштейна. Сжимающаяся Вселенная могла довести себя до ядерных плотностей, а потом снова «спружинить» наружу, вступить в фазу расширения, не дойдя до катастрофической сингулярности.
Идея первичного атома или космического яйца возникла в начале 1930-х годов и оттачивалась и уточнялась еще лет двадцать. Однако даже в начале 1960-х годов это оставалось математической игрой, в которую играли отдельные специалисты, в основном для собственного удовольствия. Мысль о сверхплотном космическом яйце всего раз в тридцать больше Солнца, которое содержало в себе все на свете, а потом взорвалось и породило расширяющуюся Вселенную, соответствовала и уравнениям Эйнштейна, и наблюдениям. Только, похоже, никто по-настоящему не верил, что эти уравнения описывают Вселенную. Никто не огорчился бы, если бы оказалось, что гипотеза космического яйца в корне неверна.
О том, как относились к этой мысли в 1950-е, можно судить по условным названиям, которые давали ученые своей работе. На самом деле уравнения ОТО позволяют давать не одно, а несколько толкований поведения пространства-времени в целом. Мы уже знаем, что эти уравнения допускают либо расширение, либо сжатие, но не статическое состояние. Очевидно, что Вселенная, в которой мы живем, не может одновременно и расширяться, и сжиматься, так что два решения уравнений не могут быть верными для современной Вселенной. Поэтому эти решения называют моделями. Космологическая модель – это набор уравнений, описывающих, как может вести себя вселенная (не обязательно наша). Уравнения должны подчиняться известным законам физики, но не обязаны описывать реальное поведение настоящей (нашей) Вселенной. Оба решения уравнений Эйнштейна, и сжатие, и расширение, описывают модели вселенных, занятные математические игрушки, а модель расширения, вероятно, описывает реальную Вселенную. Однако в начале 1960-х годов большинство космологов предпочитали называть моделью и то решение, которое предполагает расширение.
Но в 1960-е все больше популярности набирала мысль о Большом Взрыве. Космологи приходили к убеждению, что их уравнения и в самом деле описывают происходящее в реальной Вселенной, поскольку у ОТО появлялось все больше экспериментальных подтверждений. Это вдохновило их на новые теоретические изыскания, те, в свою очередь, позволили дать новые прогнозы и потребовали новых наблюдений, и эта раскручивающаяся спираль стала причиной революции в наших представлениях о рождении Вселенной.
К 1976 году теория Большого Взрыва настолько прочно вошла в научный обиход, что американский физик Стивен Вайнберг написал научно-популярный бестселлер «Первые три минуты», где описал первые этапы Большого Взрыва и рассказал, как возникла наша Вселенная из сверхплотного состояния космического яйца. Хотя эта книга написана в 1970-е, в ней изложены представления о Большом Взрыве, царившие в 1960-х, и нам придется ненадолго остановиться на этих представлениях, прежде чем рассказывать нашу историю дальше.
* * *
Во всех этих описаниях Вселенной – релятивистских космологических моделях – есть одна странность: Большой Взрыв – это не взрыв огромного первичного атома, висевшего в пустоте. Между тем именно так он и видится многим обывателям: галактики – словно осколки взорвавшейся бомбы, разлетающиеся в космосе в разные стороны. Но на самом деле все было не так.
Уравнения Эйнштейна говорят нам, что расширяется само пространство – и это оно, расширяясь, уносит галактики за собой. Когда-то, когда Вселенная была моложе, галактики располагались гораздо теснее, поскольку расстояния между ними были более «сжатыми», чем теперь. Представьте себе две капли краски на резиновой ленте. Потянешь за концы ленты, она растянется, и капли краски разойдутся в стороны, но относительно материала, из которого сделана лента, они никуда не сдвинутся.
Так что в очень юной Вселенной во время взрыва первичного атома не было никакого «внешнего пространства», куда разлетались осколки после взрыва. Пространство было тесно свернуто само на себя, так что космическое яйцо было полностью самодостаточным шаром из вещества, энергии, пространства и времени. То есть, в сущности, представляло собой сверхплотную черную дыру. И оно до сих пор представляет собой черную дыру, разница лишь в том, что оно расширилось, поэтому плотность черной дыры стала гораздо меньше, и теперь свет в ней описывает на горизонте очень плавные кривые.
Мы живем в черной дыре, просто такой огромной, что искривление пространства-времени в ней очень мало, и земными астрономическими инструментами его не измерить. Большой Взрыв растянул пространство и буквально дал материальному содержимому космического яйца простор для маневра. Сначала Вселенная была очень плотной и горячей, но по мере расширения доступного пространства этот огненный шар остывал и разрежался. Совсем как жидкость в радиаторе вашего холодильника остужает его. Внутри холодильника жидкость распространяется по просторной камере и охлаждается, а снаружи, на задней стенке холодильника, втискивается в более тесное пространство и нагревается, однако тепло уходит с радиатора, прежде чем жидкость возвращается в холодильник и начинается новый цикл. Когда Вселенная была сжатой, ее температура была гораздо выше, как у сжатой охлаждающей жидкости или у воздуха в велосипедном насосе.
Насколько выше? Если вернуться по логической цепочке космологической модели к самому началу, то есть к сингулярности, предсказанной уравнениями Эйнштейна, придется иметь дело с бесконечными температурами, а не только с бесконечной плотностью. Но в 1960-е годы никто не доходил до таких крайностей. Бесконечности по-прежнему считались каким-то просчетом в ОТО, но все равно момент появления в модели бесконечностей мог служить отметкой начала времен (по крайней мере, пока никто не предложил теорию получше).
Физика 1960-х годов ничего не могла сказать о том, что происходило в долю секунды сразу за началом этого начала времен, зато подробно описала все, что происходило со Вселенной в течение 15 миллиардов лет, которые начались всего через одну десятую долю секунды после Большого Взрыва. Космологи все больше убеждались, что ОТО не так уж и плохо описывает Вселенную, раз объясняет все, что случилось за последние 15 миллиардов лет, кроме самой первой десятой доли секунды. Вот что она им говорила.
Спустя одну десятую секунды после «начала» (или после «отскока», как выражались многие космологи 1960-х), плотность Вселенной была в 30 миллионов раз больше плотности воды. Температура составляла 30 миллиардов градусов,
[23] и Вселенная состояла из смеси очень высокоэнергичного излучения (фотонов) и материальных частиц, в том числе нейтронов, протонов и электронов, но не только – были еще нестабильные экзотические частицы, ненадолго возникавшие из чистого излучения. Ярчайший пример эквивалентности вещества и энергии, выраженной в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc2. На Земле, в атомной бомбе, в недрах Солнца, где идут ядерные реакции, крошечные количества вещества (m) преобразуются в огромную энергию (E), потому что c – это скорость света, 300 000 километров в секунду, а c2 – это прямо-таки очень много. Но если у тебя в распоряжении вдоволь энергии, из нее и вправду можно создавать вещество, и после Большого Взрыва энергии для этого фокуса было предостаточно, хотя многие частицы, возникшие в результате, были нестабильны и вмиг исчезали, превратившись в излучение.
