Сейчас. Физика времени Мюллер Ричард

Настоящее великолепие науки в следующем: мы можем найти способ мыслить так, чтобы делать законы очевидными.

Ричард Фейнман

Самые замечательные стороны энтропии оставались глубоко сокрытыми за фасадом ее использования в технике. Простые понятия теплового потока и температуры уходили корнями в дебри квантового мира. Они медленно приоткрывались ученым по мере того, как в XIX веке создавалась и развивалась новая физическая дисциплина – статистическая физика, базировавшаяся на не подтвержденной тогда идее существования атомов и молекул. Загадки и парадоксы статистической физики привели ученых к открытию физики квантовой, а Эддингтона – к мысли о том, что время течет благодаря увеличению энтропии.

Физика бесконечных множеств

Физика может очень хорошо предсказывать поведение одного или двух атомов. Она может уверенно делать это также в отношении одной или двух планет. Труднее, когда взаимодействуют несколько объектов. Оказывается, очень сложно предсказать, будет ли стабильной система из трех планет. Уравнения нам известны, но математика не могла «решить» их, то есть записать решение в общепринятых научных функциях вроде экспоненты и косинусов, чтобы получить соответствующие значения – решить задачу аналитически, а не численно. Мы можем симулировать движение десятка планет на компьютере, что обычно и делается. К счастью, поведение трехзвездной системы хаотично, и точные данные об изначальном положении звезд и их скорости нужны только для того, чтобы сделать приблизительные оценки на будущее. Как итог – в астрономии часто неясно, стабильна та или иная звездная система или в какой-то момент одна из звезд улетит в бесконечность.

Примечательно, что по мере увеличения наблюдаемых объектов физике становится легче. Это потому, что по многим параметрам мы в действительности хотим знать средние значения, а, например, для большого множества частиц (в галлоне – 3,8 л – воздуха содержится 1023 молекул) средние значения могут быть весьма точными. Мы можем даже вычислить среднее отклонение от средних величин.

До того как появилась статистическая физика, простые законы поведения газов открывались эмпирически. В далеком 1676 году ирландский химик и теолог Роберт Бойль рядом экспериментов показал, что давление в определенном объеме газа обратно пропорционально его объему. Сожмите газ до половины изначального объема, и его давление увеличится вдвое (если поддерживается постоянная температура). В XIX веке статистическая физика объясняла это явление, постулируя наличие в газе огромного количества атомов и идею о том, что давление, по существу, было средним значением огромного числа столкновений атомов со стенками сосуда.

Объяснение поведения газов наличием в них атомов было одним из велких ранних актов универсализации физики. До возникновения теории атомов поведение газов не связывалось с законами Ньютона (например, с равенством F = ma). Существовало представление, что тепло – это отдельная жидкость, которая называется теплород[104] и якобы перемешана с газом. Но статистическая физика показала, что тепло – это энергия отдельных атомов. Быстро двигающиеся атомы – «горячие», медленные – «холодные», а температура (по абсолютной шкале) считается средней кинетической энергией каждого атома.

И здесь снова оказалась неоценимой роль Эйнштейна. В 1905 году, том самом, когда он сформулировал уравнение E = mc, ученый искал возможности доказательства атомной теории, рассчитывая эффект, который атомы могут оказывать на мельчайшие пылинки. Начав свою работу, он узнал, что этот эффект мог быть тем самым броуновским движением, которое открыл ботаник Роберт Броун в 1827 году. Рассматривая пыльцу растений в сильный микроскоп, Броун увидел, как множество мельчайших частичек совершало лихорадочные движения по всем направлениям, как будто плывя в разные стороны. Тогда признанным объяснением этого явления считалось то, что эти частицы – зародыши жизни, изначальные живые организмы типа инфузорий, первичная форма.

Нет. Эйнштейн показал: броуновское движение объясняется тем, что молекулы воды, атакующие частицы пыльцы с разных сторон, не уравновешивают друг друга. Толчки молекул с одной стороны пылинки время от времени становятся сильнее, чем с другой стороны, и частички «прыгают». Хотя в среднем они остаются на месте. Эйнштейн высчитал отклонения от среднего результата. Частицы все-таки двигаются, но не потому, что «плывут» в воде, а потому что совершают случайные перемещения, которые красочно описываются как «походка пьяного». Если человек сделает много случайных шагов в произвольных направлениях, то все равно значительно удалится от первоначального места. В среднем расстояние до него будет увеличиваться в прогрессии, выражаемой произведением длины шага на корень квадратный из количества шагов. Хотя первые эксперименты показали, что автор теории относительности ошибался в описании броуновского движения, точные измерения, сделанные известным французским физиком Жаном Перреном[105] в 1908 году, подтвердили выводы Эйнштейна и привели к широкому признанию факта существования атомов и молекул – и к принятию статистической физики.

Хотя человечество к концу XIX века уже многое знало об электричестве, магнетизме, массе и ускорении, я нахожу очень примечательным то обстоятельство, что только после работ Эйнштейна и Перрена 19051908 годов широкая научная общественность в целом приняла существование атомов и молекул.

В книге Георгия Гамова «Один, два, три… бесконечность», о которой я упоминал, была фотография молекулы гексаметил-бензина. На ней изображены 12 черных точек, расположенных в шестиугольнике. Я тогда полагал, что точки обозначают отдельные атомы. (Теперь я знаю, что это были сгустки атомов.) Фотография очень взволновала меня. Запечатлены атомы! В наши дни фотографии атомов стали обыденностью. Но даже еще в 1989 году, когда корпорации IBM удалось сфотографировать 35 атомов ксенона и расположить их в виде букв IBM c помощью нового сканирующего туннельного микроскопа, это стало сенсацией. Сегодня атомы уже не гипотетические частицы, но во времена Эйнштейна они именно такими и были.

Объяснение Эйнштейном природы броуновского движения, наверное, могло рассматриваться как крупнейшее научное достижение года, а возможно, и нового века. Однако в том же 1905 году Эйнштейн написал еще три великие статьи: две о теории относительности и одну о квантовой природе света. Именно последняя работа о фотоэффекте послужила основанием для присуждения ученому Нобелевской премии. Тот поразительно продуктивный для Эйнштейна год был назван annus mirabilis, или «волшебный год».

И все-таки, что же это такое – энтропия?

Статистическая физика показала, что давление создается движущимися частицами, а температура – это кинетическая энергия отдельной частицы. Энтропия получила более глубокое и замечательное объяснение в работах физика-философа Людвига Больцмана[106] за 40 лет до статьи Эйнштейна о броуновском движении. Больцман много сделал для разработки закономерностей статистической физики. С возрастом у него развилось биполярное аффективное расстройство – серьезное психическое заболевание. В 1906 году, не сумев одолеть приступ депрессии, ученый повесился. Это произошло всего за три года до того, как эксперименты Перрена убедили научный мир, что основные представления, заложенные Больцманом, были правильными.

Больцман показал, что энтропия объекта связана с количеством вариантов, которыми микроскопические молекулы могут создать его макроскопическое состояние. Это количество вариантов называется статистическим весом (числом способов [квантовых состояний] осуществления этого состояния). Представьте галлон воздуха, в котором 1023 молекул. В одном макроскопическом состоянии этого объема воздуха все молекулы могут сгруппироваться в одном его углу. Способ достижения такого состояния имеется всего один. Так что статистический вес при этом будет равен единице. В другом варианте молекулы могут быть ровно распределены в каждом кубическом сантиметре объема. Статистический вес такого состояния огромен, потому что мы можем разместить первую молекулу в любом из 3785 см объема галлона, вторую – в любом другом кубическом сантиметре и так далее, заботясь только о том, чтобы не «переполнить» каждый отдельно взятый кубический сантиметр. Поскольку количество молекул в галлоне воздуха колоссально – 10 штук, статистический вес, то есть количество вариантов заполнения молекулами этого объема, гигантский, но вычисляемый. (Ниже мы дойдем до конкретных вычислений.)

Больцман постулировал, что статистический вес состояния определяет вероятность реализации такого состояния. Наибольшую вероятность имеет равномерное распределение молекул в объеме. При расчете статистического веса Больцман включал также количество вариантов обмена энергией между частицами.

Ученый понял, что подобный подход может оказаться ключом к более глубокому пониманию энтропии. Вычислив статистический вес состояния W, он нашел, что натуральный логарифм этого числа пропорционален энтропии! Это было удивительное открытие. До этого термин «энтропия» использовался в чисто техническом смысле, обозначая минимизацию потерь тепла. Больцман показал, что это фундаментальная величина, основывающаяся на абстрактной математике и статистической физике. Вот его уравнение:

Энтропия = k lg W.

Число k – фундаментальная мировая постоянная, чтобы переводить lg W[107], безразмерную величину, в понятную инженерам энтропию, которая измеряется в калориях на градус или джоулях на градус. Сегодня k называется постоянной Больцмана; она определяет связь между температурой и энергией. (Я использовал ту же букву k в уравнении Эйнштейна, касающемся общей теории относительности, но это другое число.) Эта постоянная настолько важна, что каждый студент, изучающий физику, запоминает ее наизусть[108]. Больцман так гордился своим уравнением, что завещал выгравировать его на своей могиле, что и было сделано.

Определение множества гугол было придумано девятилетним Милтоном Сироттой, когда его дядя математик Эдвард Каснер попросил нарисовать после единицы столько нолей, сколько мальчик был в состоянии изобразить. Позднее они вдвоем решили, что гугол – это число, обозначаемое единицей со 100 нолями. Это можно записать так: 1 гугол = 10100. (Компания Google была названа по этому слову, правда с ошибкой в написании, Шоном Андерсоном, другом основателя Google Ларри Пейджа.) Количество атоов в нашей Вселенной оценивается в 10⁷⁸. Это меньше, чем гугол, на 1 с 22 нолями. Однако статистический вес контейнера с газом, то есть число способов достижения его макроскопического состояния, – это 1 с 10²⁵ нолями. Это число –

– многократно больше гугола. Но меньше гуголплекса.

Что же такое гуголплекс? Это монстроподобное число определяется как 1 с гуголом нолей. (Это, кстати, был первоначальный вариант названия компании Google, предложенный Андерсоном.) Оно может быть записано как

Оно так огромно, что многие считают его нереальным. Оно больше, чем количество кубических миллиметров в известной нам Вселенной. Но оно используется в статистической физике при расчете энтропии Вселенной, которая оценивается австралийскими учеными Часом Эганом и Чарльзом Лайнвивером величиной 3 10¹⁰⁴k. Это число – логарифм статистического веса W. Сама же величина W намного больше[109]. Число способов перераспределения вещества во Вселенной без изменения ее нынешнего состояния (те же звезды и другие космические тела – то есть W для нашей Вселенной) – больше, чем гуголплекс, намного больше, чем

Получается, что статистический вес Вселенной больше, чем если гуголплекс помножить на число 1 с 10 000 нолей.

Тирания энтропии

Как реальные молекулы могут разместиться в реальной емкости? Как поделят имеющуюся энергию? Главная идея Больцмана заключалась в том, что состояние с наибольшим статистическим весом будет доминировать. Более высокая энтропия выигрывает, и выигрывает сильно, потому что соответствующие вероятности определяются не логарифмом W, а самим W, то есть числом способов осуществления этого состояния, которое всегда будет больше его логарифма.

Результаты в статистической физике требуют предположения, что вероятность любого состояния зависит от числа способов его достижения. Это предположение не самоочевидно. Оно называется эргодической гипотезой[110]. На самом деле оно в строгом смысле неистинно. Если у вас две емкости, одна из которых заполнена газом, а другая пуста, состояние максимальной энтропии наступит, когда каждая емкость заполнится только наполовину. Но если эти емкости не соединены между собой, газ не может перемещаться из одной в другую. Таким образом, состояние максимальной вероятности оказывается недостижимым.

Это пояснение может звучать весьма тривиально, но оно очень важно с точки зрения понимания времени. Оно заставляет нас дать энтропии другое определение: энтропия не логарифм числа способов наполнения емкостей, а логарифм доступных таких способов. Подсчитывая их, не принимайте во внимание способы наполнения емкостей, нарушающие какие-то другие законы физики (например, что молекулы могут проникать сквозь стенки сосудов). Далее в этой книге статистический вес W будет обозначать число доступных способов наполнения емкостей.

Человек не в состоянии ограничить рост энтропии, но может установить некий контроль над достижением доступных состояний. Я попытаюсь доказать, что такой контроль можно считать ключевым в свободе выбора человека. Мы не в силах уменьшить энтропию Вселенной, но можем сделать свой выбор: соединять или нет две емкости с газом. Если не соединим, энтропия Вселенной будет меньше, чем в противном случае.

Мы можем также управлять локальной энтропией, снижая ее по нашему желанию. Это делает, например, кондиционер воздуха. Он охлаждает воздух внутри помещения, уменьшая энтропию в доме, и выбрасывает тепло наружу. Увеличение энтропии в чуть потеплевшем воздухе снаружи больше, чем количество энтропии, уменьшившееся внутри. Таким образом, использование этого устройства охлаждает нас и снижает нашу собственную энтропию, но повышает общую энтропию Вселенной.

Жизнь представляет собой локальный пример уменьшения энтропии. Растения забирают немногочисленный рассеянный углерод из воздуха, соединяют его с водой, получаемой из почвы, и при участии энергии солнечного света создают сложные молекулы крахмалов, которые организуются в высокоупорядоченные структуры. Энтропия молекул, из которых состоят растения, уменьшается, но общая энтропия повышается, главным образом за счет тепла, выбрасываемого в атмосферу.

Энтропия – это беспорядок

Часто говорят, что энтропией измеряется степень беспорядка и хаоса. Состояние газа с низкой энтропией подразумевает нахождение молекул на одной области пространства с высокой степенью организации. Состояние с высокой энтропией означает, что молекулы распределены в значительном пространстве и не упорядочены. Высокая энтропия относится к состоянию, которое возникает с большой вероятностью в результате случайных процессов. Низкая энтропия – такая организация вещества, которое в реальности маловероятно. Высокоорганизованное состояние, как следует из самого названия, не может быть итогом случайных природных процессов[111].

В принципе, если вы имеете дело с такой системой, как, например, идеальный тепловой двигатель Карно для получения полезной механической работы путем использования горячих газов, общая энтропия может остаться постоянной. Но этот идеальный двигатель пока не создан. На практике энтропия всегда увеличивается – в том смысле, что увеличивающийся хаос неизбежен. Перенос тепла от горячего объекта к холодному увеличивает энтропию. Наша Вселенная теряет свою организованность и медленно, но верно, становится все более подвержена случайностям.

Разбейте чашку – и вы увеличите энтропию ее молекул. Будучи разъединенными, они находятся ближе к первоначальному естественному случайному состоянию. Попробуйте выбросить эти молекулы в космическое пространство, позвольте им рассеяться – вы нарушите порядок и увеличите энтропию. Создавая чашку, мы уменьшаем локальную энтропию за счет остальной Вселенной. Большая часть того, что мы считаем цивилизацией, основана на локальных уменьшениях энтропии.

Энтропия и квантовая физика

Статистическая физика удивительным образом привела к открытию физики квантовой. Нагрейте какой-то предмет до нескольких тысяч градусов по Фаренгейту, и он засветится видимым светом: этот свет будет красным. Статистическая физика объясняла это излучением вибрацией молекул в предмете[112]. Считалось, что движущиеся при этом электрические заряды порождали свет. Но расчеты, сделанные с позиций статистической физики, показывали, что это излучение должно иметь бесконечную энергию при уменьшении длины волны излучения (то есть смещении в ультрафиолетовую область), и эту проблему назвали ультрафиолетовой катастрофой[113]. По сути это знаменовало большие затруднения и даже крах статистической физики.

Немецкий физик Макс Планк в связи с этим предложил странное на первый взгляд и «нефизическое» решение. Он нашел уравнение, которое объясняло фактические наблюдения. Сегодня мы называем его формулой Планка. Это была математика, а не физика. Затем ученый начал искать новый физический принцип, который, в случае истинности, объяснил бы получение уравнения. Решение было найдено: он понял, что атомы могут эмитировать свет только порциями, которые назвали квантовыми. Эта поразительная идея стала основным принципом квантовой физики.

Планку пришлось предположить: когда атом испускает свет частотой f, энергия этого света должна представлять собой произведение этой частоты на базовую единицу энергии h. Он записал формулу в таком виде:

E = hf.

Число h подобрал таким образом, чтобы наблюдаемое излучение от горячих объектов соответствовало его формуле. Сегодня мы знам это число как постоянную Планка, и это одна из самых знаменитых величин. Ученые часто говорят, что любая формула, которая не содержит h, принадлежит классической физике, а та, которая эту константу содержит, находится в области квантовой.

Предположение Планка в 1901 году было сделано произвольно. Его формула соответствовала экспериментальным данным, однако предположение о том, что черное тело эмитирует свет порциями – квантами, не имело подтверждения. Спустя четыре года Эйнштейн понял, что несколько иная интерпретация гипотезы Планка может быть использована для объяснения совершенно другой загадки – фотоэлектрического эффекта. Сегодня на нем основана работа солнечных батарей и цифровых фотокамер. Этот эффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем (тем самым немецким ученым, который обнаружил радиоволны и чьим именем названа единица частоты герц, которая присутствует в повсеместно распространенном электричестве [с частотой 50 герц[114] ]).

Герц открыл, что свет, падающий на поверхность какого-то предмета, «выбивает» из него электрон. Одновременно он обнаружил, что энергия этого электрона зависит от цвета луча (то есть от его частоты), а не интенсивности. Это открытие было очень загадочным. Увеличивая интенсивность светового луча, Герц получал не электроны с увеличенной энергией, а рост их количества. Это наблюдение не имело особого смысла, если исходить из того, что свет – вид электромагнитного излучения.

Эйнштейн понял, что может объяснить фотоэлектрический эффект Герца, если предположит, что сам свет разделен на кванты. (Планк полагал, что на кванты делится атом.) Эйнштейн назвал эти частицы света кванты; позже ученые назвали их фотонами. По существу, Эйнштейн открыл фотон. Во всяком случае, он был первым, кто признал его существование. Каждый фотон выбивает один электрон. Он сообщает этому электрону энергию hf. Таким образом, энергия электрона зависит от частоты света. Более интенсивный свет подразумевает, что в нем просто больше фотонов и что он «выбивает» больше электронов. Именно объяснение Эйнштейном фотоэлектрического эффекта принесло ему Нобелевскую премию в 1921 году.

По иронии судьбы квантовое объяснение эффекта фотоэлектричества утвердило Эйнштейна также в качестве одного из основателей квантовой физики. Ирония в том, что он никогда не принимал квантовую теорию, по крайней мере в том ее варианте, который стал доминировать в физике (речь идет о копенгагенской интерпретации квантовой механики).

Энтропия увеличивается. Время бежит вперед. Какая связь между ними? Простая или причинно-следственная? Артур Эддингтон утверждал, что энтропия и время связаны, но эта связь неочевидна. Энтропия не просто растет со временем, как заключила статистическая физика. Эддингтон считал, что все как раз наоборот: ведущим элементом здесь была энтропия. Энтропия оказывается причиной того, что время движется.

Те проблемы, которые стоит решать, доказывают всю ценность сопротивлением их решению.

Пит Хейн[115]

Спросите случайно встретившегося физика: «Что заставляет время двигаться вперед?» Не знаю, со сколькими физиками вы знакомы, но я их знаю предостаточно. И я пробовал задавать этот вопрос многим из них. Ответом было обычно нечто типа: «Возможно, энтропия». Потом физик обычно старался пояснить свой ответ: «Я не уверен, что это так. Но мне кажется, что это единственное, что у нас есть».

Это единственное, что у нас есть

Пожалуй, самая интересная часть ответа в том, что ваш случайный физик, судя по всему, уже задумывался над этой проблемой. Век назад такой вопрос вы, скорее всего, задали бы философу. Посмотрите, что говорили Шопенгауэр, Ницше или Кант (хотя последний был еще и ученым), и вы увидите, что они обращали внимание на эту проблему. До эпохи Просвещения вы, наверное, спросили бы об этом священников или теологов, таких как Августин или Оккам[116]. Но благодаря Эйнштейну такие вопросы стали частью физики. Сегодня вы даже не смогли бы обратиться к этому вопросу, не зная теории относительности и не понимая колоссального рывка, сделанного Эйнштейном в определении времени и пространства.

В известной книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира») Артур Эддингтон утверждал, что стрела времени определяется энтропией. Издание было написано без излишней научности (несмотря на то что Эддингтон блестяще владел продвинутыми математическими методами) и не адресовалось научной общественности, хотя дело обстояло именно так. Этой работой можно насладиться и сегодня, она доступна в интернете (англоязычном. Прим. ред.). По сюжету идет как бы возвращение в детство в стиле Эйнштейна, при этом в ней есть важный тезис: о времени нужно говорить понятным языком.

Эддингтон утверждал, что направление стрелы времени устанавливает единственный физический закон – второе начало термодинамики[117]. Все другие теории в физике – классическая механика, электричество и магнетизм и даже находившаяся тогда на подъеме квантовая физика, – как представлялось, неспособны отличить прошлое от будущего. Планеты могут двигаться по своим орбитам в обратном направлении. Антенна для излучения радиоволн может с таким же успехом использоваться и для их приема. Атомы испускают свет, однако они его и поглощают: оба этих процесса легко описываются одними и теми же уравнениями. Пустите кинопленку в проекторе с конца, и вы не нарушите никаких законов физики. Никаких, кроме второго закона термодинамики. Никаких, за исключением закона, который гласит, что энтропия будет всегда увеличиваться (не убывать) со временем.

Сегодня появились убедительные доказательства того, что стрела времени прочно присутствует еще в одной области физики. Это физика радиоактивного распада, которую всегда считали областью «слабых взаимодействий». Уже есть свидетельства в пользу того, что закон симметрии времени может нарушаться в некоторых процессах распада. Однако это не изменило мнение ученых по поводу стрелы времени: они по-прежнему привержены ее объяснению с позиций энтропии. Я вернусь к этому после обсуждения стрел энтропии Артура Эддингтона.

Кино, прокрученное в обратном направлении

Ранее я просил вас представить кадры кинопленки, на которых чайная чашка падает со стола. Вы можете с уверенностью сказать, в каком направлении прокручивается пленка, потому что в реальной жизни чашки не собираются из осколков на полу и не запрыгивают целые и невредимые обратно, на стол. Микроскопические молекулярные силы могли, наверное, сделать это, если бы все разом начали действовать в одном направлении. Но вероятность этого исчезающе мала. Так что, даже если вам не сказали, с какого конца запущена кинолента, направление стрелы времени было бы для вас вполне очевидным. Чайная чашка – это, конечно, очень наглядный пример, но можно подумать и о громадном множестве других примеров. Сгорают звезды. Истощаются запасы жидких углеводородов. Мы умираем, а наши тела разлагаются. Увеличение энтропии неизбежно.

Предположим, вас наделили полным знанием о двух мгновениях времени в нашей Вселенной и попросили определить, какое из них случилось первым. Как вы можете это сделать? Ответ простой: вычислить энтропию двух моментальных снимков. Тот момент, энтропия которого была меньше, произошел раньше. Физики считают, что энтропия вполне убедительно задает направление стрелам времени.

Первичные и вторичные законы физики

Второй закон термодинамики, устанавливающий, что энтропия увеличивается, вообще-то довольно странный. Он ничего не прибавляет физике, кроме утверждения, что более вероятные процессы происходят с большей долей вероятности. Почему же тогда это начало квалифицируют как физический закон? Разве эта тавтология не самоочевидна и не тривиальна? И если уравнения механики, электричества и магнетизма – то есть реальной физики – не дают направления времени, почему это делает какой-то довольно ненаучный закон, который на этих областях физики и основывается?

Эддингтон хорошо знал об этом парадоксе. На самом деле он ввел различия в законы физики, разделив их на первичные и вторичные. Энтропия определенно была законом вторичным, выведенным из других законов и не имевшим собственного твердого основания.

Усилим этот парадокс. Давайте исходить из представления об истинности классической физики, то есть той, на которой основывается второе начало термодинамики. В этой физике, если вы знаете точное местоположение и характеристики движения каждой частицы (отставив в сторону принцип неопределенности квантовой физики), разве вы не можете, хотя бы в принципе, предсказать будущее? Здесь не нужны расчеты вероятностей и законы случайностей. Как же тогда могут фундаментальные законы, не имеющие стрелы времени, породить вторичный закон, у которого такая «стрела» имеется?

Ответ в том, что нынешняя Вселенная очень высоко организована – по причинам, которые Эддингтон вначале не мог определить. В нашем мире низкая энтропия. Когда вы заставляете газ, сконцентрированный в одном углу емкости, распределиться по всей этой емкости, вы имеете дело с огромным увеличением энтропии. А материя во Вселенной сосредоточена компактно в разных ее областях, как газ, скопившийся в каком-то углу емкости. Большая часть видимой массы Вселенной обнаруживается в звездах, небольшая часть – в планетах; и все это окружено пустым пространством. (Здесь я не касаюсь вопроса о темной материи, которая была неизвестна во времена Эддингтона.) Так что во Вселенной много пустого пространства, которое могло быть заполнено для увеличения энтропии. Другими словами, дальнейшая организация Вселенной очень маловероятна. Благодаря тому, что сейчас она очень высоко организована и с большой вероятностью идет по пути дезорганизации, время движется вперед.

Если вы верите, что Вселенная бесконечно стара, значит, у нее было бесконечное время для эволюции и бесконечное время для увеличения энтропии. Тогда можно предположить, что максимальный уровень энтропии во Вселенной должен был быть достигнут давным-давно. Почему же этого не случилось?

Почему наша Вселенная столь невероятна

Некоторые думают, что нынешнее состояние Вселенной, с ее относительно высокой организацией и низкой энтропией (в сравнении с той, какой она могла бы быть), подразумевает существование Бога. Артур Эддингтон сформулировал это более элегантно. Он сказал (в упомянутой книге):

Направление «стрелы времени» может быть определено только такой несочетаемой смесью теологии и статистики, как второе начало термодинамики. Или, если выражаться точнее, направление «стрелы» может быть определено на основе законов статистики; но ее значение как важнейшего фактора, определяющего смысл мира, может быть выведено только на основе телеологических[118] представлений.

Если вам необходимо освежить знание философских терминов, предлагаем определение слова «телеологический», данное академическим толковым словарем Oxford English Dictionary:

Телеологический – имеющий отношение к целям и конечным причинам или связанный с ними; имеющий дело с замыслом или целью, особенно в области природных явлений.

Время движется вперед потому, что наше нынешнее состояние высоко невероятно. В окружающем мире есть большие концентрации массы, но и огромные пустые пространства. Его температура неуниверсальна, поэтому тепло может переноситься в пространстве, объекты способны разрушаться, а масса – распространяться в космосе. Чтобы Вселенная стала организованной, наличие Бога вовсе не обязательно. Однако наша Вселенная действительно хорошо организована.

Конечно, если именно Бог создал нашу Вселенную с низкой энтропией, это вполне мог быть «Бог по Спинозе». Он лишь создал мир, а затем разрешил ему эволюционировать самому. Такой подход называется деизм[119]. Непонятно, заботится ли такой Бог о поклонении себе и стоит ли он такого поклонения. Многие теологи рассматривают деизм как вариант атеизма – один из способов для нас сказать, что мы верим в Бога, когда на самом деле в него не верим.

Когда Эддингтон писал свою книгу, на другом краю света, в Пасадене, происходило другое фантастическое открытие. То, что обнаружил астроном Эдвин Хаббл[120], привело к созданию теории, объясняющей, что для приобретения временем стрелы направления необходима высокая организация Вселенной. Согласно новому представлению, наша Вселенная так организованна, потому что еще сравнительно молода. Название этой теории, которое мы используем и сегодня, дал астроном Фред Хойл[121] – кстати, пытавшийся высмеять ее. Это теория Большого взрыва.

Если долго всматриваешься в бездну, бездна начинает всматриваться в тебя.

Фридрих Ницше

В 1929 году Эдвин Хаббл сделал открытие, которое, казалось, отбросило науку на 400 лет назад. Да, Земля по-прежнему вращалась вокруг Солнца, как и говорил Коперник, но в более широком смысле стало понятно, что прав был Птолемей. Наша галактика Млечный Путь, то есть совокупность окружающих нас звезд, начала представляться центром Вселенной.

Чтобы понять, что же обнаружил Хаббл, давайте сначала вспомним, что он искал. Хаббл изучал галактики – огромные скопления звезд, похожие на наш Млечный Путь. Почти триллион звезд вращается по почти круговым орбитам. Практически все звезды, которые мы наблюдаем в ночном небе, входят в нашу галактику. Если вы посмотрите на небосклон в ясную зимнюю ночь, вдалеке от городских огней, увидите прямо над головой расплывчатое пятно угловым размером с полную Луну. Это созвездие Андромеды[122].

Если рассматривать ночное небо с помощью самых мощных телескопов, нашим глазам предстанут триллионы таких галактик. Во Вселенной существует больше галактик, чем звезд в нашей галактике. Отдельные звезды созвездия Андромеды находятся ближе и «светят» ярче. Мы смотрим сквозь них, чтобы увидеть за ними само созвездие.

Яркая точка в середине состоит из нескольких миллиардов звезд, окружающих то, что, по мнению астрономов, можно назвать супертяжелой черной дырой, которая сама содержит примерно 4 000 000 звезд.

До исследований Хаббла большинство астрономов считали такие галактики огромными скоплениями газа, на заднем фоне которых располагались звезды. В 1926 году ученый получил убедительные доказательства того, что это на самом деле скопления звезд, гораздо дальше отстоящие от нас, чем звезды в созвездиях, имеющих названия. Потом последовало его ошеломляющее открытие: 24 галактики, которые он наблюдал, удаляются от нас весьма необычным образом. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. Создавалось впечатление, что прямо в области нашего положения во Вселенной произошел гигантский взрыв и части ее, двигающиеся с наибольшей скоростью, сейчас самые отдаленные.

Хаббл предположил, что этот взрыв произошел около 4 миллиардов лет назад. Однако инструменты для измерения космических расстояний были еще несовершенными. Сегодня, используя его данные с поправкой на ошибки, ученые полагают, что взрыв произошел 14 миллиардов лет назад. Более того, сейчас мы знаем, что открытие Хаббла действительно не только в отношении 24 ближайших к нам галактик, но и для сотен миллиардов других, ставших видимыми благодаря супертелескопу, который в честь ученого назвали «Хаббл»[123].

Это было одно из важнейших, если не самых важных, экспериментальных открытий XX века, и так отмеченного огромным количеством достижений. Его можно соотнести по важности с телеологической теорией Коперника, который 400 лет назад пришел к выводу о том, что Земля вращается вокруг Солнца. Казалось, Хаббл ставит Млечный Путь в центр Вселенной.

Но так интерпретировать его концепцию неправильно. Открытие Хаббла не поставило нас в центр Вселенной, и он прекрасно это осознавал. Поместите себя в собственную систему отсчета любой из удаляющихся галактик. Все они разлетаются все дальше и дальше друг от друга. В вашей системе отсчета все эти объекты удаляются от вас. Неважно, в какой из галактик вы находитесь. Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) действует одинаково для всех.

Это замечательное свойство закона Хаббла легче всего представить на примере батона с изюмом. Вообразите, что вы изюминка в батоне, который, выпекаясь, расширяется. Соседи-изюминки становятся все дальше и дальше от вас. Те, которые находятся от вас на расстоянии, вдвое превышающем расстояние до ближних, удаляются от вас вдвое быстрее. Может создаться впечатление, что вы находитесь в центре батона, но, возможно, все иначе. Тот же самый закон действует в отношении всех изюминок. И хотя публика думала (ошибочно), что открытие Хаббла поставило Землю в центр Вселенной, ученый быстро объяснил, что это не так.

Не нужна никакая кора

Еще одно объяснение расширения Вселенной было куда более фантастичным. Оно было предложено за два года до открытия Хаббла Жоржем Леметром[124], бельгийским священником и профессором физики Лувенского католического университета. Леметр выдвинул модель, основывающуюся на общей теории относительности, согласно которой ранняя Вселенная представляла собой «космическое яйцо, взорвавшееся в момент творения». Этой же идеей Леметр объяснял и возникновение «первичного атома». Некоторые считают, что заслуга в разработке теории расширения Вселенной принадлежит Леметру, а не Хабблу. Однако в своих работах Леметр отталкивался от некоторых предварительных результатов, полученных Хабблом. К тому же они были опубликованы в малоизвестных бельгийских научных журналах, которые за пределами страны мало кто читал. Леметра называли «величайшим ученым, о котором никто почти ничего не знал».

Леметр изучал общую теорию относительности и применял ее ко Вселенной в целом. Открытия Хаббла убедили священника в том, что Вселенная расширяется. Но, по мнению Леметра, взорвалась не материя, заключенная в какой-то части космоса, а сам космос. Эта концепция хорошо согласовывалась с уравнениями Эйнштейна.

Эйнштейн считал, что Вселенная статична, и даже добавил в свои уравнения так называемую космологическую постоянную. По сути, она вводила в уравнения силы отталкивания, позволяющие преодолеть взаимное притяжение космических объектов, что вызвало бы коллапс Вселенной. Эйнштейн посчитал идею Леметра о расширяющейся Вселенной несерьезной и сказал ему: «Ваши вычисления правильные, но ваша физика ужасна».

Однако после открытий Хаббла Леметр стал неожиданно знаменит. 31 января 1931 года газета New York Times вышла под громогласным заголовком: «Леметр выдвигает идею о том, что начало Вселенной положил один-единственный великий первоатом, в котором была сконцентрирована вся энергия». Эйнштейн убрал свою космологическую постоянную и впоследствии сожалел, что применил ее. Известный советский физик Георгий Гамов говорил, что Эйнштейн рассматривал ввод этой постоянной в свои уравнения «как величайшую ошибку всей жизни». (Это ирония судьбы. Сегодня мы верим в то, что космологическая постоянная очень важна и необходима в космологии. Я коснусь этого вопроса во время рассказа о темной энергии.)

В 1933 году газеты сообщали, что после лекции Леметра в Принстоне Эйнштейн встал и сказал: «Это самое красивое и удовлетворительное объяснение творения, какое я только слышал». Он явно изменил свою точку зрения на «ужасную» физику ученого. Леметр также высказал предположение, что космические лучи (радиация), открытые в 1912 году, могли быть «остатками» Большого взрыва. По этому поводу он ошибался. Действительно, это были «остатки», но только в виде микроволнового (реликтового) излучения, а не радиации. Однако люди склонны забывать теоретические ошибки физиков. К сожалению, это не распространяется на экспериментаторов.

Согласно математическим расчетам Леметра, каждая галактика занимала в космосе определенное местоположение. Закон Хаббла появился не из-за движения галактик, а благодаря расширению космического пространства между ними. Он стал еще одним примером действия уравнений Эйнштейна, которые допускали «резиноподобную» природу пространства. Мы уже видели гибкость пространства применительно к релятивистской теории (глава 2), включая парадокс с шестом и сараем и две уловки со скоростью света (глава 5).

Космологическая модель Леметра используется по сей день, хотя теперь ее иногда называют моделью ФридманаЛеметраРобертсонаУокера (FLRW) по именам других космологов-теоретиков, участвовавших в ее развитии. Эта модель оправдала предсказания относительно природы очень отдаленных областей нашей Вселенной. Ученые вскоре запустили в научный оборот термин космологический принцип, который суммировал все приближенности и констатировал, что Вселенная везде одинакова и такая же, как и в области нашего существования[125].

Около 14 миллиардов лет назад (если точнее, 13,8) материя находилась в сильно сжатом состоянии (принято говорить «в состоянии сингулярности»), а затем космос взорвался. Материя начала все сильнее и сильнее распадаться по фиксированным координатам. Локально под действием собственных гравитационных сил она сформировалась в некие сгустки, которые сегодня мы называем кластерами (объединением нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами). Затем внутри этих сгустков под действием своей гравитации материя организовалась в галактики, а уже внутри них, опять же под воздействием собственной гравитации, сформировалась в молекулярные облака, звезды и планеты, в том числе и нашу. (В Приложении 4 вы найдете стихотворение, описывающее формирование Вселенной.)

Почему имя Леметра не так широко известно, как имя Хаббла? Одна из причин – то, что за ним не стоит суперсовременный телескоп, который назван по его фамилии (как телескоп Хаббла). (Я вырос в Нью-Йорке и никогда не слышал об итальянском путешественнике Вераццано, пока его именем не назвали самый большой мост в городе.) Тем не менее все астрономы и космологи знают Леметра. Закон расширения Вселенной мы называем именем Хаббла, и это частично определяется тем, что начальные выводы Леметра базировались на ранних данных Хаббла, которые в то время не подтверждали их научную справедливость.

В раннем варианте модели Леметра 36 из 38 галактик оказались удаляющимися (приближается к нам только галактика Андромеды). Но скорость их удаления не была пропорциональна расстоянию, как того требовала модель Леметра (хотя точки их положения оказались разбросаны со случайностью, приближающейся к среднему показателю). Судя по всему, Леметр сам поверил, что это противоречие свидетельствовало не о слабости теории, а об ошибках в экспериментах. Его концепции оставалось только дожидаться получения более точных данных. Не исключено, что он опубликовал свою теорию в малоизвестном журнале как раз для того, чтобы никто ее не заметил, окажись она ошибочной.

Действитеьно, предварительные данные Хаббла могли быть интерпретированы как опровергающие предсказание Леметра. Если бы последний четко написал в своей известной теперь статье что-то вроде: «Когда будут сделаны более точные измерения, все галактики окажутся расположены вдоль одной линии, а скорости их удаления от нас будут пропорциональны разделяющему нас расстоянию», если бы он тогда набрался смелости сделать это однозначное заявление, возможно, сегодня мы называли бы закон расширения Вселенной именем Леметра. И в мире существовал бы мощный телескоп, названный в его честь.

В начале всего…

В модели Леметра, принятой сегодня большинством ученых, ключевым моментом можно назвать расширение космического пространства. Понятие расширения, разумеется, обязано появлением идеям Эйнштейна о «резиноподобном» пространстве, а точнее – его уравнениям общей теории относительности. Однако прежде чем мы выйдем на более глубокие мысли об этом, интересно подумать о философских аспектах расширения.

Большой взрыв не был расширением материи в космосе: это было расширение самого космического пространства. Такое пространство может создаваться и создается все время, в течение которого Вселенная расширяется. Что же случилось в момент Большого взрыва? Существовал ли до этого вообще космос?

Мой любимый ответ (основывающийся на размышлениях, а не научном знании) – нет. Космоса не существовало до первого мгновения Большого взрыва. Откуда он тогда взялся? Очевидно, ответить на этот вопрос невозможно, потому что любой ответ подразумевает (перефразируя известную американскую писательницу Гертруду Стайн[126]), что с ним мы уйдем в бесконечность. Но если не было космического пространства, то из чего все взялось? Мы можем предположить (цитируя известного писателя-фантаста Рода Серлинга), что существует «пятое измерение, неизвестное человеку». Может быть, космическое пространство зародилось там? А может, это всего лишь уловка? Тогда давайте применим свою уловку: проигнорируем вышеприведенный вопрос и зададим другие.

Физики представляют себе пространство не как пустоту, а как субстанцию. Только это не материальная субстанция, а что-то гораздо более фундаментальное. Пространство может колебаться разными способами. Колеблющееся пространство проявляет себя в виде энергии и материи. Один вид колебаний – световая волна, другой – то, что мы называем электроном. Если космического пространства не существовало до Большого взрыва, то ничего не могло и колебаться, поэтому не появились бы ни материя, ни энергия. До того как возникло пространство, не было ничего, что мы могли бы назвать реальным. Это просто невозможно было бы никак описать.

Подчеркиваю – подобные идеи не вполне научные. Это просто размышления ученого. Уверен, я не первый ученый, кто предается таким мыслям. Они не совсем подходят для научно-популярной литературы. Но это как раз те идеи, с которыми ученые любят играть, освобождаясь от жестких рамок профессии. Может, они и приведут меня к чему-то, но пока это просто фантазии.

Пространство и время связаны теорией относительности. Мы не живем отдельно в пространстве и отдельно во времени. Мы живем в пространстве-времени. Подумайте о философском содержании этого постулата. Если во время Большого взрыва появилось пространство, вероятно, то же самое произошло и со временем? Ни пространство, ни время не существовали до Большого взрыва. Вопрос о том, что произошло до начала времени, бессмыслен, потому что этого «до» не было. Это примерно как спросить: «Что произойдет, если положить два объекта на расстоянии меньше нуля? Что будет, если вы заморозите классический объект до температуры ниже абсолютного нуля, так что движение частиц в нем будет медленнее, чем движение вообще?» На все эти вопросы нет ответов, потому что они бессмысленны.

Августину Аврелию такие размышления понравились бы. Он утверждал, что Бог выходит за пределы времени, он вне времени. Подозреваю, что если бы Августин был сегодня жив, он страстно молился бы за то, чтобы именно Бог был тем, кто создал и пространство, и время.

Решение загадки

С открытием Хабблом закона расширения Вселенной мы получили объяснение тому, почему она так высоко организована. Именно высокая организация Вселенной, по мнению Эддингтона, и стала главным условием, определяющим направление стрелы времени. Ранняя Вселенная, как бы вы себе ее ни представляли: компактным куском камня, плавающего в бесконечном пространстве, или моделью Леметра, в которой масса заполняет всю Вселенную, – была очень сжатой. По мере образования пространства вокруг вещества появлялось больше места для распределения материи и энергии.

Расширение Вселенной подразумевает, что ее материя находилась в состоянии сравнительно низкой энтропии, по сравнению с тем, каким бы этот уровень мог быть. Создание космоса означало, что для новых возможных состояний материи появлялось больше пространства. То есть возникали возможности для увеличения энтропии. Имея возраст всего 14 миллиардов лет, Вселенная не смогла еще достичь максимально возможной энтропии. Эта идея – о том, что хотя энтропия продолжает увеличиваться, еще сильнее растет и максимально возможный уровень энтропии Вселенной, – была впервые высказана физиком из Гарварда Дэвидом Лейзером[127].

Нижеследующий пример показывает, как расширение Вселенной увеличивает энтропию. Возьмите цилиндр с газом, заполняющим его с одного конца, и поршнем, отделяющим этот газ от вакуума на другом конце. Представьте, что цилиндр некоторое время находился в покое, поэтому газ внутри него достиг состояния с максимальной энтропией. Очень резко сдвиньте поршень, чтобы газ смог заполнить вдвое больший объем. Сделайте это быстро, чтобы по-прежнему с одного конца в цилиндре оставался газ, а с другого – вакуум. Теперь газ уже не в состоянии максимальной энтропии. Он не останется в прежнем объеме, а потечет и займет новый объем, расширившись до более высокого состояния энтропии.

В каком-то смысле именно это и произошло во время Большого взрыва. Создалось большое пространство, и материя, которая раньше концентрировалась с максимальной энтропией в небольшом объеме, перестала находиться в этом состоянии (максимальной энтропии) в новом большом пространстве. Количество материи не изменилось. Возросло число способов заполнения ею Вселенной. Это объясняет нынешнюю низкую энтропию во Вселенной и, согласно идеям Эддингтона, совершенно однозначно определяет направление стрелы времени. Разумеется, как всегда в науке, ответ на один вопрос порождает много новых вопросов. Больше не нужно спрашивать, почему мы находимся в состоянии низкой энтропии. Теперь речь о другом: почему Вселенная расширяется? Что послужило причиной? Закончится ли это когда-нибудь?

Сможем ли мы когда-нибудь получить окончательный ответ? Думаю, нет. Мы делаем новые открытия, и они оказывают влияние на возможный ответ. Одно из последних – обнаружение темной энергии (я расскажу об этом позднее) – кардинально изменило уравнения будущего расширения Вселенной. Нам достаточно хорошо известны законы физики, но знание Вселенной и ее природы пока ново и неопределенно. Может быть, через несколько десятилетий или даже веков мы обнаружим что-то принципиально свежее относительно причин расширения Вселенной, и это снова изменит наши выводы. Думаю, нас должна радовать мысль о том, что объекты для открытий еще далеко не исчерпаны.

Мифы Древней Греции рассказывают о Сизифе, царе Коринфа, который после смерти навечно был приговорен богами к тому, чтобы закатывать огромные камни на гору, давать им скатиться вниз и снова заталкивать вверх. Его бесплодный труд никогда не закончится. Великий писатель-экзистенциалист Альбер Камю проводил отсюда параллель с нашей жизнью: мы рождаемся, живем, умираем – ради чего? Камю провозглашал, что проживание жизни само по себе великая цель, и делал вывод, что Сизиф счастлив.

То же самое можно сказать и об ученых. Мы никогда не можем ответить на все вопросы. Ответишь на один, и тут же выскакивают новые, еще более сложные. Другая классическая аналогия может быть проведена с головой Гидры: на месте отрубленной у нее вырастали сразу две. Ученым это нравится. Мы при таком раскладе никогда не лишимся работы. И это радует.

Из небольшой искры возгорается величественное пламя.

Данте Алигьери

• Это сигнал из первоздания.
• Далеко позади что-то бормочут микроволны,
• Испущенные первовеществом «илемом» в давнем прошлом
• При трех градусах по Кельвину.
• Они неразличимы в свете звезд.

С извинениями Генри Лонгфелло

Замечательный результат модели Вселенной Леметра: она создает возможность обернуться назад во времени – назад, еще назад и еще. Я заглянул в прошлое на 14 миллиардов лет.

Вы обращаетесь в прошлое все время. Когда смотрите на человека, стоящего от вас в полутора метрах, видите его не сиюминутного: вы видите, каким он был 5 миллиардных долей секунды назад (столько надо свету, чтобы пролететь это расстояние). Поднимая взор на Луну, видите ее тоже не той, какая она сейчас, а какой была 1,3 секунды назад. Когда щуритесь на Солнце, видите, в каком оно было состоянии 8,3 минуты назад. Если Солнце вдруг взорвалось 7 минут назад, то пока мы не имеем об этом ни малейшего представления.

Наиболее отдаленные и древние сигналы из космоса, которые удалось уловить, – космическое микроволновое (реликтовое) излучение. Это так называемые первичные сигналы. Мы верим, что они начали свое путешествие 14 миллиардов лет назад. И когда смотрим на них (с помощью микроволновой камеры), видим Вселенную того времени. Свет (микроволны – это низкочастотный свет) показывает, что существовало во Вселенной огромное время назад и на огромном удалении от нас. Этот свет путешествовал в космосе целых 14 миллиардов лет, чтобы достичь нас.

Чтобы заглянуть назад во время, мы должны исходить из того, что отдаленная от нас на расстояние 14 миллиардов световых лет Вселенная была очень похожа на то, какой была тогда и ближайшая к нам ее часть. Как я уже говорил, этот постулат имеет свое название: космологический принцип. Согласно ему, Вселенная по своей природе гомогенна (как гомогенизированное молоко, с ровным составом по всему объему без сколько-нибудь заметных сгустков) и изотропна (нет направлений с особыми физическими свойствами, в ней отсутствует движение больших масштабов; например, Вселенная не вращается). Если не хотите, чтобы окружающие поняли вашу приверженность такому радикальному представлению, называйте его принципом. Космологический принцип звучит угрожающе. Но если бы вы назвали его моделью булки с изюмом, он не был бы таким убедительным. Совершенный космологический принцип еще более угрожающ. Он был придуман как расширение «обычного», но оказался ложным. Далее я это объясню.

Имеется достаточно доказательств того, что космологический принцип, в общем, верен – во всяком случае, для наших целей. Когда мы изучаем Вселенную, особенно ближнюю ее часть, то видим, что она очень походит на все происходящее в непосредственной близости от нас. Мы находимся в галактике Млечный Путь (все звезды на небе, которые вы можете видеть невооруженным глазом, входят в сгусток из многих сотен миллиардов звезд). Однако, скорее всего, за ее пределами существует огромное множество подобных галактик, которые уходят все дальше и дальше в космическое пространство. Выберите небольшой участок неба и, используя лучшие телескопы, попытайтесь сосчитать видимые галактики и экстраполировать результаты на те районы Вселенной, которые пока остаются неизученными. Таким образом можно прийти к выводу, что видимых галактик свыше сотни миллиардов. В большинстве из них звезд меньше, чем в нашем Млечном Пути.

Хотя во Вселенной имеется много сгустков галактик, они распределены в космическом пространстве повсюду, причем с примерно одинаковой плотностью. Мы с командой университета Беркли в 1970-е годы измеряли микроволновое излучение, приходящее из космоса, и выяснили, что Вселенная демонстрирует однородность с погрешностью в 0,1 %, если рассматривать ее в очень больших масштабах. Недавние измерения спутника WMAP[128] (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) показали с точностью до 0,01 %, что Вселенная однородна. Однако можно предполагать, что с повышением точности измерений ее неоднородность все-таки удастся уловить.

Огненный шар Большого взрыва

Самым убедительным доказательством Большого взрыва стало обнаружение реликтового (остаточного) микроволнового излучения. Если бы оно не было найдено, Большой взрыв назвали бы большой фальшивкой и связанную с ним теорию признали бы глубоко ошибочной. Ученые из Принстонского университета Роберт Дикке[129] и Джеймс Пиблс[130] начали активно изучать концепцию Большого взрыва в начале 1960-х годов. При условии, что гипотеза верна, микроволны должны быть доступны для наблюдения. Если физикам удастся обнаружить их, это открытие станет одним из величайших в XX веке, сравнимым с чудом открытия Хабблом расширения Вселенной. Ученые собрали команду, в которую, кроме них, вошли Дэйв Уилкинсон и Питер Ролл, и приступили к конструированию устройства, способного найти нужное доказательство.

Гипотеза ученых была достаточно простой – насколько может быть простой космологическая идея, основанная на теории относительности. Это было развитие первоначального тезиса о Большом взрыве, сформулированного Георгием Гамовым и Ральфом Алфером[131]. В первичной Вселенной, когда космическое пространство было сжато в 30 триллионов раз плотнее, чем сейчас, наполнявшее его вещество (то, что мы видим сегодня в звездах и галактиках) было чрезвычайно плотным и горячим. Вся Вселенная была заполнена плазмой, такой же свирепой, как и та, что находится на поверхности Солнца. Она испускала очень интенсивный свет. Гамов и Алфер называли эту горячую протоплазму «илем».

Гамов утверждал, что на идише это слово означает «бульон». Однако я не нашел его в словаре идиша. Возможно, это какой-то диалект. Алфер писал, что это было давно забытое слово, которое можно было найти в толковом словаре Webster’s New International Dictionary и которое означает «первичную субстанцию, из которой были сформированы все вещи». Я не нашел «илем» в Webster’s Revised Unabridged Dictionary изданий 1828 и 1913 годов. Толковый словарь английского языка Oxford English Dictionary дает одну ссылку на поэму знаменитого средневекового английского философа и поэта Джона Гауэра Confession Amantis («Исповедь влюбленного»), III.91, в которой на средневековом английском сказано: «Всеобщая материя, которая называется “Илем”, весьма особенная».

Возможно, это Гамов и Алфер превратили слово «илем» в новый термин, но известно, что названия «Большой взрыв» они не придумывали. Его автором стал Фред Хойл, видный астроном, который не верил в эту теорию и обозвал ее так, чтобы посмеяться. Видимо, к разочарованию Хойла, Гамов быстро подхватил это название и применил. Еще одним примером чувства юмора Гамова стало то, что при написании в соавторстве с Алфером крупной статьи о Большом взрыве он включил в число ее авторов известного физика Ганса Бете, хотя последний в подготовке статьи не участвовал, не давал разрешения на использование своего имени и даже не подозревал, что он соавтор, пока статья не была опубликована. Позднее Гамов объяснял это шуткой – не смог избежать соблазна назвать авторами статьи Алфера, Бете и Гамова, поскольку эта комбинация так напоминала три первые буквы греческого алфавита: альфу, бету и гамму. Эту работу до сих пор иногда упоминают по буквам: «Статья ».

Гамов был известным популяризатором науки. Оглядываясь назад по мере написания этой работы, я вдруг понял, что его книга «Один, два, три… бесконечность», которую я читал еще подростком, в определенной степени воодушевила меня на написание «Сейчас». Я читал также и книгу Фреда Хойла Frontiers of Astronomy[132] («Границы астрономии»), в которой автор отстаивал свою теорию «стабильного состояния», предложенную в качестве альтернативы Большому взрыву. Хойл утверждал, что расширение Вселенной – иллюзия, материя постоянно создается и разрушается, и Вселенная не меняется. (Будучи еще ребенком, я, конечно, не имел собственного мнения относительно того, кто из них прав.)

Хойл разработал концепцию, которую он называл совершенным (идеальным) космологическим принципом, утверждавшим, что Вселенная не только однородна в пространстве, но и не меняется с течением времени. Теперь в ретроспективе я нахожу особенно интересным то, что для обоснования своей теории Хойл привлек методологический принцип бритвы Оккама, согласно которому простейшая идея и есть самая правильная (или что из всех возможных объяснений наиболее вероятно самое простое). Хойл использовал бритву Оккама, чтобы доказать: его гипотеза лучше теории Большого взрыва. Один важный урок, который мы можем вынести из этой истории: будьте осторожнее с научными принципами. Часто это лишь предположения, не всегда основывающиеся на фактах. Другой урок состоит в том, что соблюдение бритвы Оккама не всегда ведет к истине.

Когда Алфер и Гамов впервые предложили теорию Большого взрыва, еще не было возможности ни подтвердить, ни опровергнуть ее. Но Дикке и его команда нашли решение этой проблемы. По их вычислениям, через полмиллиона лет после Большого взрыва наступил ключевой момент: расширяющееся космическое пространство охладилось до такой степени, что плазма стала прозрачной. Тогда исключительно интенсивный свет, подобный свету Солнца, смог свободно проникнуть в пространство и начал в нем распространяться. Именно этот свет от праисторического огненного шара и хотели обнаружить ученые из Принстона. Они ожидали, что свет может исходить с разных направлений, потому что Большой взрыв был полностью однородным – в соответствии с космологическим принципом. Свет должен был пройти дистанцию в 14 миллиардов световых лет, достигнув нас через 14 миллиардов лет.

Вокруг нашего нынешнего места во Вселенной 14 миллиардов лет назад вещество тоже было сильно разогретым и светящимся, и этот свет уходил от нас в окружающее космическое пространство. Как раз примерно сейчас наш свет достигает самой отдаленной материи, свет которой, наоборот, достигает нас.

В связи с быстрым расширением Вселенной яркое свечение, испущенное так давно, претерпело цветовое смещение. Его источник, та самая далекая горячая материя, стремительно удалялся от нас, а ее свет претерпел допплеровское смещение (по нему радары, работающие на основе эффекта Допплера[133], определяют скорость вашего движения). В нашей системе отсчета это излучение должно иметь не частоту видимого света, а частоту микроволн, подобных тем, что генерируются в вашей микроволновке, только гораздо более слабых.

Когда Дикке, Пиблс, Ролл и Уилкинсон готовили аппаратуру для поисков первичного сигнала, двое исследователей из научно-технической лаборатории корпорации Bell Telephone Арно Пензиас[134] и Роберт Уилсон[135] направили на космос огромную и очень чувствительную антенну, способную улавливать слабейшие микроволны. Их целью было не обнаружение следов Большого взрыва. Наоборот, они ожидали, что не уловят никакого сигнала. Этим ученые хотели доказать, что все поступающее в их приемник – всего лишь собственный электронный шум их аппаратуры. Цель специалистов Bell Telephone состояла в минимизации этого шума.

Пензиас и Уилсон достигли на своем устройстве минимального уровня шума, равнявшегося 3 градусам по Кельвину (они измеряли шум по повышению температуры), но не смогли избавиться от него окончательно. Независимо от того, в какую точку небосвода они направляли свою антенну, аппаратура все равно показывала шум, соответствующий 3 градусам по Кельвину. Исследователи пришли к заключению, что этот шум представляет собой некий сигнал, идущий из космоса. Однако они не имели ни малейшего представления о его природе, происхождении, причинах и т. д.

Действительно, казалось абсурдным, что до Земли доходит сигнал из космоса, однородный по всем направлениям. Во всяком случае, так казалось в то время. Нужно отдать должное Пензиасу и Уилсону: чтобы прийти к настолько невероятному заключению, они продемонстрировали непоколебимую уверенность в своей аппаратуре. Наверное, любые другие экспериментаторы, обнаружившие однородное и равнонаправленное излучение, должны были прийти к выводу, что оно исходит от их устройства.

Пока команда Принстонского университета готовила оборудование, Пиблс публично огласил ее предсказания. Одним из тех, кто слышал его лекцию, был Кен Тернер, который рассказал об этом Бернарду Бурке, а тот, в свою очередь, – Арно Пензиасу. Последний позвонил Дикке. Его команда находилась в комнате по время этого разговора. «Нас обошли», – сказал Дикке коллегам.

Когда Пензиас и Уилсон опубликовали статью с отчетом об эксперименте, они никак не упомянули вопрос о Большом взрыве. Их статья имела совершенно нейтральное название: A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s [megacycles per second] («Измерения дополнительной температуры антенны при 4080 мегациклах в секунду»). Исследователи просто написали: «Возможным толкованием для дополнительной температуры шума может быть объяснение, данное Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в их совместной статье от 1965 года». Однако всего через год микроволновое излучение было признано определенным свидетельством того, что Вселенная произошла в результате взрыва. Таким образом, предвидение оправдалось. Были найдены следы Большого взрыва.

В связи с лекцией, прочитанной Пиблсом, и тем, что благодаря ей научная суть теории Большого взрыва достигла ушей Пензиаса, открытие микроволнового излучения было сделано Пензиасом и Уилсоном, а не принстонской командой, которая подтвердила его существование только спустя несколько месяцев. За свою работу Пензиас и Уилсон поделили Нобелевскую премию. Ученые из Принстона этой чести не удостоились, хотя снискали уважение коллег (в частности, мое). Награду следовало бы поделить между Пензиасом, Уилсоном, Дикке и Пиблсом, но статут Нобелевской премии запрещает ее присвоение более чем трем номинантам.

В поисках начала времени

В 1972 году, вскоре после защиты докторской диссертации в университете Беркли, касающейся физики элементарных частиц, я собирался продолжить занятия по этой теме и начать работу над независимым проектом, который соответствовал моим научным интересам, возможностям и надеждам. Это был первый проект, который я собирался выполнить без своего учителя Луиса Альвареса. Я прочел книгу Пиблса Physical Cosmology[136] и решил попытаться пронаблюдать за микроволновым излучением от Большого взрыва. Я хотел увидеть, какой была Вселенная 14 миллиардов лет назад, и проверить достоверность космологического принципа.

Этот проект в конечном счете материализовался в карту ранней Вселенной, показывающую, какой была она в своем «детском возрасте» – 0,00004 доли от возраста нынешнего. Для сравнения, когда вам 20 лет, то возраст 0,00004 от него составляет ваши первые шесть недель.

Пензиас и Уилсон установили с точностью до 10 %, что микроволны были однородны. Они не нашли анизотропии, то есть отличий в интенсивности излучения при замерах в различных направлениях. Дополнительные эксперименты повысили предел точности до 1 %. При повышении точности до 0,1 % анизотропия должна была обнаруживаться, хотя бы от движения Земли в космосе. Это примерно так же, как вода больше попадает вам на лицо, чем на затылок, если вы бежите под дождем. Точно так же и интенсивность микроволн должна быть больше во встречном по отношению к Земле направлении. А если достичь точности 0,01 %, мы могли бы увидеть остатки раннего сгустка, из которого образовались группы галактик.

В своей книге Пиблс назвал движение Земли по отношению к отдаленным частям Вселенной «дрейф по новому эфиру». Это не было измерение относительно абсолютного пространства: Эйнштейн показал, что это невозможно. Но есть только одна система отсчета, в которой материя Вселенной вокруг вас абсолютно симметрична и однородна, – система отсчета космологического принципа. Это «каноническая СО» теории Большого взрыва, система отсчета Леметра, в которой каждая галактика находится почти в состоянии покоя и Вселенная расширяется благодаря не движению галактик, а расширению пространства между ними.

Чтобы произвести такие измерения, я решил одновременно наблюдать за двумя частотами – той, которая характеризовала микроволновое излучение атмосферы Земли, и той, которая принадлежала сигналам из космоса. Эксперимент следовало проводить на большой высоте – возможно, на вершине горы, но лучше всего на воздушном шаре или самолете. Попробовав шары, я пришел к выводу, что они неудобны (например, часто терпят крушения). Я старался также упростить эксперимент и использовать обычные приборы, работающие при комнатной температуре, а не детекторы шумов, требующие сильного охлаждения. Использование антенн с относительно нормальной температурой предполагало возможность работы с приемной аппаратурой, обладающей лучшими характеристиками теплопроводности, что помогло бы исключить влияние самих приборов на выводы об анизотропии. Таким образом, впервые в жизни я изучал природу теплового потока[137].

К проекту присоединился Джордж Смут[138], физик из лаборатории космических исследований университета Беркли. Директор исследовательского центра Ames Национального аэрокосмического агентства Ганс Марк предложил использовать исследовательский самолет NASA U-2, и мы скомпоновали наши измерительные приборы, чтобы разместить в его кабине. Для улавливания микроволнового излучения я решил применить специальные рупоры. В них должен был использоваться оптический эффект аподизации (действия над оптической системой, приводящие к изменению распределения интенсивности в дифракционном изображении светящейся точки), чтобы ослабить сигналы, поступавшие под слишком широкими углами. Смут по публикациям подобрал подходящую схему, которая должна была сработать. Мы сконструировали несколько приборов с рупорами, и я испытал их в нашей лаборатории. Мне помогал первый докторант Марк Горенштейн, который в итоге защитил на проекте докторскую диссертацию.

Это была долгая и трудная работа, но после нескольких полетов мы выяснили, что излучение оказалось не полностью однородным. Самая яркая часть располагалась к югу от созвездия Льва, а самая темная – на противоположной стороне, в созвездии Рыб. В этих пределах яркость плавно менялась – пропорционально косинусу угла по отношению к созвездию Льва. Это явно подтверждало, что излучение существует из-за движения Земли по отношению к отдаленному веществу межзвездной среды Вселенной.

Из амплитуды этих «космических косинусов» я высчитал скорость Млечного Пути: она приближается к 1 600 000 км/ч. Красивое и впечатляющее число.

Если мы движемся со скоростью 1,6 млн км/ч, может ли наша Галактика находиться в состоянии покоя, как это следует из модели Леметра? А она и не в состоянии покоя. Модель Леметра допускала, что отдельные галактики могут совершать локальные перемещения, которые называются пекулярными движениями[139], например обращения вокруг ближайшей группы галактик. Или, как в случае Млечного Пути, притягиваемые силами гравитации близкой галактики Андромеды. Леметр просто полагал, что такое локальное движение мало по масштабам и осуществляется в случайных направлениях.

Мы – это квантовые флуктуации

Следующим шагом было перенесение проекта на спутник, чтобы полностью исключить любые помехи от микроволнового излучения в нашей атмосфере. На этом этапе Смут взял в руки бразды правления (и поиск финансирования) по нашему проекту, а я постепенно от него отошел. Было понятно, что ему моя помощь не нужна, а бюрократия NASA мне надоела. Это подтвердилось на практике: изменения в нашей измерительной аппаратуре были минимальными, зато сопротивление американского правительственного аппарата оказалось значительным. Джордж продолжил работу, но прошло еще долгих 14 лет (19781992), пока ему удалось вывести наши измерительные инструменты в космос и приступить к измерениям.

Для столь длительной затяжки с экспериментом не было никаких фундаментальных причин (вполне можно было уложиться для подготовки космической части проекта и в 4 года), однако работа с правительственной машиной была обставлена огромным количеством бюрократических препон, которые часто совсем не учитывали интересов науки. Каждые несколько лет NASA требовало от Смута модифицирования аппаратуры, чтобы она подходила к другому типу космического корабля. Сначала ее хотели отправить в космос на беспилотной ракете, затем NASA решило, что программу космических челноков необходимо «нагрузить» максимальным научным содержанием (ради оправдания роста расходов на нее!), что серьезно задержало проект. В дополнение ко всему, использование аппаратуры в пилотируемых космических станциях подразумевало строгое тестирование, чтобы она не создала какой-то угрозы жизни астронавтов. После этого NASA еще раз передумало и решило запустить аппаратуру на непилотируемом корабле, но ее предстояло переделать так, чтобы задействовать в совершенно другом эксперименте по измерению спектра излучения (то есть плотности его мощности на разных частотах).

Результаты, полученные Смутом и его новой командой в космосе, без помех атмосферы, были обеспечены в 30 раз большей чувствительностью измерений по сравнению с теми, которые мы выполняли с помощью U-2. Впервые была обнаружена естественная анизотропия, что немного не согласовывалось с космологическим принципом. Сгустки материи и возмущения, которые они нашли, были как раз тем, что считалось следами Большого взрыва. Эта теория и предполагала, что Вселенная началась как весьма однородная, но не до конца. Квантовые флуктуации, определяющиеся принципом неопределенности Гейзенберга, могли создать небольшие сгустки материи, которые под влиянием локальных сил гравитации разрастались, формируя структуры, а они в конечном счете превращались в огромные кластеры и галактики.

Это было очень любопытно и даже удивительно, что космология – царство сверхбольших размеров – стала более понятна через законы квантовой физики, прежде отслеживаемые только в микромире. Стивен Хокинг назвал это открытие «самым волнующим событием в физике», которое он испытывал за всю свою жизнь. Обнаруженное космическое микроволновое излучение, подтвердившее теорию Большого взрыва, стало самым глубоким источником информации о природе Вселенной за первые полмиллиона лет после взрыва. За это исследование Смут получил Нобелевскую премию.

Пока мы с вами подошли не к началу времени, а только к отметке в полмиллиона лет после него. Для человека «полмиллиона лет» звучит как невероятно огромное число, но если сравнить с 14 миллиардами лет, прошедшими с тех пор, получается, что нам удалось сфотографировать Вселенную такой, какой бывает ребенок нескольких часов от роду. И что важно, это была не теория, а данные реальных наблюдений.

Позднее результаты измерений были улучшены благодаря спутнику WMAP. Новые результаты позволили увидеть, что даже через полмиллиона лет Вселенная не была однородной: в ней начали образовываться сгустки материи.

Вселенная Тёрстона

Судьба удостоила меня чести быть двоюродным братом одного из величайших математиков современности – Билла Тёрсона[140]. Мы жили по соседству в кампусе университета Беркли и часто говорили о нашей научной карьере (еще докторантом он был убежден, что никогда не найдет для себя хорошую работу), о математике и физике. Билл очень увлекся моими рассказами о том, что мы знаем о Вселенной. Он интересовался, рассматривает ли кто-либо всерьез концепцию «мультисвязанной» Вселенной. Имел ли он в виду кротовые норы, посредством которых потенциально могли быть соединены разные части Вселенной? Нет, в голове у него была гораздо более простая и элегантная идея.

В конечном счете Билл стал знаменит благодаря достижениям в топологии и сложных геометрических многообразиях, которые выходят за пределы нашего воображения. Он говорил, что овладел навыком думать четырехмерно. Немногие верили, пока он не сформулировал множество блестящих теорем, которые открыл, по его словам, наблюдая за поверхностями в четырехмерном пространстве, существовавшем в его голове. Странно, но оказывается, что математические проблемы в трех и менее измерениях относительно просты. Пятимерные модели тоже решаемы. Самыми сложными считаются модели четырехмерные. За свои работы по четырехмерному многообразию Билл, еще не достигший 40 лет, получил премию Филдса, которая для математиков приравнивается к Нобелевской.

В топологии вы можете продвинуться в пространстве, а потом обнаружить, что вернулись к точке старта. Такой результат обычен для искривленного пространства (как поверхность Земли). Но он может иметь место и в неискривленном пространстве. Космологи называют его «плоским», хотя оно и существует в трех измерениях. Подразумевается, что в очень больших масштабах свет распространяется только по прямой, а не изогнутой линии; в таком пространстве действуют законы обычной эвклидовой геометрии; сумма всех углов треугольника при всех условиях составляет 180°.

Вопрос Билла был следующим: реальная Вселенная проста, или это мультисвязанная структура? Он хотел понять, могут ли измерения в космологии исключить последний вариант. Я не могу представить такие измерения. А могут ли измерения подтвердить его предположения? Над этим следует серьезно задуматься.

Думаю, что концепция Вселенной Тёрстона (как я ее называю) – замечательная новая идея. Эта Вселенная мультисвязана, например с помощью кротовых нор, однако в ней отсутствуют серьезные пространственные искажения. И эту модель можно проверить. Я не считаю ее даже приблизительно настолько же безумной, как 11-мерные пространственно-временные континуумы, применяемые в некоторых теориях струн.

Я несколько недель пытался доказать, что модель Тёрстона ошибочна. И старался отыскать аргументы ее правильности. Чтобы проверить свои предположения, попытался заглянуть в далекий космос и увидеть Млечный Путь, нашу Галактику. Возможно, одна из галактик на фотографии с телескопа «Хаббл» и есть мы! Но вижу я ее не такой, какая она сейчас, а такой, как она выглядела миллиард лет назад. Вот это да! Если размышления Билла верны, мы могли бы смотреть в прошлое, не исходя из представления об однородной Вселенной. Мы могли бы на самом деле узнать себя. За миллиард лет галактики и их группы значительно эволюционировали. Я упорно размышлял над способами проверить идею Билла, но в конце концов сдался. Это было в 1980-е. Сейчас научный инструментарий кардинально изменился. Когда-нибудь я вновь вернусь к гипотезе Тёрстона.

Этот пример иллюстрирует занятия экспериментаторов в свободное время. Мой наставник в физике, Луис Альварес, считал, что по пятницам после обеда ученые должны предаваться самым фантастическим размышлениям. Если вы специально не выделите такое время, никогда не сможете найти его. Это все равно что тренировка.

• Узреть в песке бескрайнюю любовь
• И небеса в цветке невинном,
• В сиюминутном вечности порог
• И мир в мгновении едином.

Уильям Блейк, «Прорицания невинности»

Еще в 1990-е годы, преподавая космологию, я сказал своему курсу, что не могу предсказать отдаленное будущее Вселенной. Но уверен, что касающееся ее важное открытие произойдет в ближайшее время. Через пять лет, утверждал тогда я, мы узнаем, бесконечна Вселенная или все-таки конечна, продолжится ее расширение всегда или в конечном счете этот процесс остановится и Вселенная вернется в прежнее состояние путем «Большого сжатия». И если такое сжатие произойдет, логично предположить, что это ознаменует конец пространства и времени, если только слово «конец» имеет какой-то смысл по отношению к тому, чего больше не существует.

Я также говорил: возможно, дело кончится тем, что Вселенная остановится на какой-то границе, разделяющей бесконечное и конечное (в смысле пространства и времени). Так что даже в том случае, если у нас будет точная картина Вселенной, это не даст ответа на вопрос, оказывается ли «всегда» таковым в действительности.

Я был абсолютно уверен в предчувствии скорого ответа. Дело в том, что я начал собственный эксперимент, призванный ответить на этот вопрос. И верил в своего бывшего студента Сола Перлмуттера[141], подхватившего из моих рук руководство этим проектом.

В поисках конца времени

Эксперимент с детектированием микроволнового излучения, о котором я рассказывал в предыдущей главе, был направлен на изучение природы Большого взрыва и структуры Вселенной при ее зарождении. Новый экспериментальный проект должен был определить будущее Вселенной. Путем к этому было выбрано гораздо более точное, чем ранее, определение в деталях поведения «расширения Хаббла».

Теория предсказывала, что расширение замедлится из-за самогравитации и взаимного притяжения галактик, расходящихся все дальше друг от друга. Это замедление можно было измерить, сравнивая расширение в ближайших галактиках с теми, которые от нас значительно удалены. Эти последние галактики покажут действие закона Хаббла таким, каким оно было миллиарды лет назад, и мы сможем увидеть, насколько замедлилось с тех пор расширение. Скорости галактик мы могли измерить с помощью того же эффекта, которым пользуется полиция при замере скорости машин: допплеровского сдвига.

Трудность заключалась в точном определении расстояния до галактик. Я решил, что так называемые сверхновые могут в этом помочь. Если бы мы смогли обнаружить замедление Вселенной, то сумели бы рассчитать, будет ли ее расширение вечным. Расчеты сводились практически к определению скоростей разбегания галактик. Будут ли галактики в расширяющейся Вселенной разбегаться или упадут обратно в «Большое сжатие»?

Параметр замедления Вселенной космологи обозначили последней буквой греческого алфавита (омега). Мы собирались дать параметру определение, поэтому весь эксперимент я назвал «Проект “Омега”». Новый измеритель мог рассказать о возможном конце времени.

«Проект “Омега”» был задуман после того, как в 1978 году я услышал лекцию Роберта Вагонера в Стэнфордском университете. В ней он указал, что собственная яркость отдаленных сверхновых типа II[142] может быть определена скоростью расширения их оболочки и временем такого расширения. Скорость, помноженная на время, даст нам размер звезды. Если бы мы смогли найти отдаленные сверхновые, определить их яркость и измерить скорость на основании допплеровского смещения галактик, в которые они входят, то после этого смогли бы использовать их как «калибровочные свечи». Наблюдаемая яркость в сравнении с их собственной яркостью позволила бы определить расстояние до них.

Требовалось получить как можно больше информации от большого количества отдаленных сверхновых. Однако вспышка сверхновых – довольно редкое явление, случающееся раз в несколько сотен лет. И чтоы использовать такую информацию, вспышку нужно зафиксировать в первые несколько дней после возникновения. Придется наблюдать за сотнями галактик, возвращаясь к этому занятию каждые несколько ночей. Только тогда можно уловить сверхновую в критической фазе расширения.

Когда я рассказал учителю и научному руководителю моей докторской диссертации Луису Альваресу о лекции Вагонера, он припомнил, что профессор Высшей технической школы штата Нью-Мексико Стерлинг Колгейт как раз начал проект по автоматическому поиску сверхновых. Я встретился с Колгейтом и выяснил, что он отказался от проекта как от слишком сложного. Однако посоветовал мне попробовать, снабдив массой рекомендаций и наставлений по тем проблемам, которые ему в конечном счете не удалось решить.

Требовались телескоп и очень мощный компьютер для управления им. К счастью, мое открытие косинусной зависимости интенсивности микроволнового излучения в космосе, подтверждающей анизотропию Вселенной, было отмечено наградой – премией Национального научного фонда Алана Уотермана[143]: $150 000 «не связанных» денег на исследования, которые я волен был выбирать сам. Каким замечательным делом оказался этот грант! Можно было начать проект со сверхновыми без необходимости доказывать какому-то жюри, что ты способен его осуществить. Премия Уотермана сделала мой проект возможным. Я использовал большую часть средств на приобретение необходимого компьютера (в те дни мощные машины были очень дороги) и на принятие в помощники недавнего выпускника университета Карла Пеннипакера.