Направленная сразу во все стороны, тепловая энергия, как пьяный регулировщик, создает хаос. Свободная энергия, подобно трезвому регулировщику, действует по определенным направлениям и создает порядок. К счастью для нас, благодаря базовым правилам в ранней Вселенной было какое-то количество свободной энергии. Они заставили ее двигаться по определенным, неслучайным путям и обеспечили хотя бы минимальную структуру.
Второй порог. Галактики и звезды
Свободная энергия привела к появлению первых крупных структур – галактик и звезд. Важнейшим ее источником в этой части нашей истории была гравитация. Гравитация в космологии подобна овчарке, которая собирает стадо. Она стала сгонять в стада простые формы материи, возникшие при Большом взрыве. Наличие одновременно и гравитации и материи сформировало условия Златовласки для возникновения звезд и галактик.
Результаты исследований космического микроволнового фонового излучения показывают, что в ранней Вселенной было мало крупных структур. Представьте себе, что тонкая, невесомая взвесь из атомов водорода и гелия парит в теплом океане темной материи, пронизанном фотонами света. И температура везде примерно одинаковая. Мы знаем, что вначале Вселенная была гомогенна, потому что можем измерить разницу температур в реликтовом излучении и обнаружить, что самые горячие части ранней Вселенной были всего на сотую градуса теплее самых холодных. Не было никаких пригодных к использованию температурных градиентов, никаких энергетических водопадов, чтобы формировать новые структуры. Вы можете сами создать значительно большую разницу температур, просто потерев себя пальцем по лицу.
Затем гравитация стала формировать из этого малообещающего материала кое-что поинтереснее. Большой взрыв раздвигал пространство, а она тем временем судорожно пыталась собрать энергию и материю воедино.
Вокруг гравитации строилась ньютоновская концепция Вселенной; это же понятие сыграло роль объединяющей идеи в научной революции. Ньютон объяснял, как функционирует гравитация, в одном из важнейших научных трудов всех времен – Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, или «Математические начала натуральной философии», вышедшем в 1687 году. Для него это была универсальная сила притяжения, действующая между всеми телами, которые обладают массой. Два с половиной века спустя Эйнштейн показал, что энергия тоже может создавать гравитационное притяжение, потому что именно из нее и состоит материя.
Эйнштейн предсказал еще одно важное явление, связанное с гравитацией: если это форма энергии, значит, как и электромагнетизм или звук, она должна генерировать волны. Но Эйнштейн опасался, что волны эти слишком слабые, чтобы кому-нибудь когда-нибудь удалось их обнаружить. В сентябре 2015 года две гигантские машины, одна в Луизиане, а другая в штате Вашингтон, под управлением лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO, наконец зафиксировали гравитационные волны, и эта работа максимально ярко демонстрирует красоту передовой науки. В 2017 году три человека, которые внесли в этот проект значительный вклад, получили Нобелевскую премию по физике
[34]. Гравитационные волны, зафиксированные обсерваторией LIGO, возникли около 100 млн лет назад при столкновении двух черных дыр в далекой галактике где-то в Южном полушарии неба (в этот момент на нашей планете еще царили динозавры). На Земле в каждой из машин обсерватории LIGO луч света разделили на два луча, которые отправили под прямым углом друг к другу двигаться вверх-вниз по двум четырехкилометровым трубам с зеркалами на обоих концах. Когда после почти 300 прохождений лучи вернулись, это произошло не совсем одновременно. Мельчайшие гравитационные волны вытянули трубы в одном направлении и сжали в другом на величину значительно меньше ширины протона. Теперь, когда астрономы знают, что гравитационные волны существуют, они надеются найти новые способы исследовать Вселенную с их помощью.
С точки зрения гравитации ранняя Вселенная была слишком гладкой. Ее нужно было скомковать. Это стремление гравитации перестраивать Вселенную объясняет, почему считается, что на ранних этапах энтропия здесь была низкой: Вселенной была свойственна некоторая опрятность, которую энтропия могла разрушать, внося беспорядок, на протяжении следующих нескольких миллиардов лет. Стоило гравитации взяться за работу, и всего через несколько сотен миллионов лет она превратила равномерную взвесь частиц ранней Вселенной в более беспорядочное и комковатое пространство, полное звезд и галактик.
Как показал Ньютон, сила гравитации больше там, где больше масса и где предметы ближе друг к другу. Поэтому Земля притягивает предметы значительно сильнее, чем вы, и по той же причине Земля притягивает вас к себе значительно слабее, если вы находитесь дальше от ее поверхности – например, на Международной космической станции. Теперь рассмотрим небольшой объем взвеси частиц в ранней Вселенной. Представим себе, что вполне случайным образом концентрация темной материи и атомов в одной части объема оказалась немного больше, чем в другой. Законы Ньютона говорят нам, что гравитация в более плотном углу будет сильнее, поэтому здесь материю будет стягивать с большей силой, и разница между более плотной и более пустой областями увеличится. Вот так, по капельке, гравитация за миллионы лет и сделала Вселенную более зернистой и комковатой.
Когда гравитация пододвигала атомы друг к другу, они начинали сталкиваться чаще, а их колебания становились более активными. Поэтому в местах, где образовалось больше комков, росла температура, ведь в меньших объемах пространства собралось больше тепла (по этому же принципу нагревается шина, когда ее накачивают). Бóльшая часть Вселенной продолжала остывать, а комки снова стали нагреваться. Наконец некоторые из них оказались такими горячими, что протоны уже не могли держаться за свои электроны. Атомы распались, и внутри каждого комка снова образовалась заряженная плазма, потрескивающая от электрических разрядов, – та, которой когда-то была полна Вселенная.
Благодаря гравитации давление накапливалось, более плотные области становились еще плотнее, их ядра – горячее, воссоздавались высокие энергии ранней Вселенной. При температуре около 10 млн градусов Цельсия энергии у протонов становится столько, что они могут сталкиваться достаточно резко, чтобы преодолеть отталкивание положительных зарядов. Перейдя этот барьер, протоны начали соединяться попарно, связанные сильным ядерным взаимодействием, которое работает лишь на очень малых расстояниях. Пары протонов образовали ядра гелия, как уже было когда-то, в краткий период сразу после Большого взрыва.
Когда протоны соединялись, часть их массы превращалась в чистую энергию, а, как мы видели, даже крошечная частичка материи содержит колоссальное количество энергии. Такую же огромную энергию выбрасывает водородная бомба, топливом для которой, как и для звезд, служат реакции ядерного синтеза. Итак, когда температуры в центре плотного облака материи переходят критический порог около 10 млн градусов, триллионы протонов начинают сливаться, синтезируя ядра гелия, и разгорается печь, которая выделяет огромное количество энергии. Однажды зажженная, она будет гореть до тех пор, пока будет достаточно протонов, чтобы продолжался синтез.
