Мы живем внутри огромного пространства, у которого нет края и нет центра. Оно заполнено скоплениями звезд, планетами, газом и пылью. Все это вместе принято называть мирозданием или космосом. Когда люди смотрят на ночное небо, они видят только самую маленькую часть того, что существует за пределами Земли. Большая часть этого мира скрыта от наших глаз. Причина кроется в том, что вокруг нас много невидимой материи и загадочной энергии, природу которых ученые пока не могут разгадать.

Наш космос не был всегда таким, каким мы видим его сейчас. Он возник примерно четырнадцать миллиардов лет назад из очень горячего и плотного состояния. С тех пор он непрерывно расширяется, остывает и постепенно меняет свой облик. Звездные системы разлетаются в разные стороны, внутри них рождаются и умирают светила, а из звездной пыли формируются новые планеты. Все эти процессы продолжаются прямо сейчас, в ту самую секунду, пока вы читаете этот текст.

Понимание того, как устроено мироздание, помогает человеку понять свое собственное место в этом мире. Мы не просто смотрим на звезды с большим интересом. Мы сами состоим из вещества, которое когда-то вылетело из взорвавшихся древних светил. Поэтому изучение космоса похоже на изучение своей собственной истории. Это одновременно и путешествие к самому началу времен, и внимательный взгляд в сегодняшний день, и попытка заглянуть в далекое будущее, когда наше пространство станет совершенно другим.

Из чего все состоит. «Рецепт мироздания»

Весь окружающий мир, каким бы сложным он ни казался, состоит всего из трех основных частей. Первая часть — это обычная материя. Из нее сделаны звезды, планеты, астероиды, газовые облака и, конечно, сами люди. Ученые часто называют ее барионной материей. На первый взгляд может показаться, что вокруг нас очень много этого вещества. Но на самом деле оно занимает только пять процентов от всего объема космоса. Внутри этой материи действуют привычные нам законы физики. Атомы соединяются в молекулы, а молекулы образуют камни, воду, воздух и живые клетки. Без обычного вещества не было бы ни света звезд, ни твердой земли под ногами.

Вторая часть называется темной материей. Ее невозможно увидеть даже в самые мощные телескопы, потому что она не излучает и не отражает свет. Ученые узнали о ее существовании благодаря одному интересному наблюдению. Оказалось, что звездные острова вращаются слишком быстро. Если бы в космосе существовала только обычная материя, эти гигантские скопления давно разлетелись бы на части от центробежной силы. Но этого не происходит. Значит, что-то невидимое удерживает их своей гравитацией. Этим невидимым чем-то и оказалась темная материя. Она занимает примерно двадцать семь процентов мироздания. Темная материя пронизывает все пространство вокруг нас, но мы никак не можем ее потрогать или зафиксировать приборами.

Третья часть — самая загадочная и одновременно самая большая. Речь идет о темной энергии. На нее приходится около шестидесяти восьми процентов всего содержимого космоса. Темная энергия ведет себя необычно. Она действует не как гравитация, которая притягивает объекты друг к другу, а наоборот. Она заставляет пространство расширяться, причем расширение происходит все быстрее и быстрее. Представьте себе невидимую силу, которая раздвигает сами стены реальности. Именно из-за темной энергии звездные системы разбегаются не равномерно, а с постоянным ускорением. Ученые пока не знают, что это за энергия и откуда она взялась. Но без нее невозможно объяснить то, что астрономы видят в свои телескопы. Так получается, что все, что мы можем наблюдать и трогать, составляет лишь маленькую часть огромного и загадочного мироздания. Остальное остается невидимым и пока непознанным.

Как все появилось. От Большого взрыва до первых звезд

В самом начале, насколько могут судить ученые, не было ни пространства, ни времени, ни вещества. Все существовало в одной единственной точке невероятно высокой плотности. Такое состояние физики называют сингулярностью. Оно длилось неизвестно сколько, потому что само понятие времени появилось только позже. А потом эта точка начала быстро расширяться. Этот момент принято называть Большим взрывом, хотя никакого взрыва в привычном смысле слова там не было. Не было ни грохота, ни разлетающихся осколков, потому что не существовало пространства, в котором мог бы распространяться звук. Произошло просто рождение самого пространства и его стремительное раздувание.

Первые доли секунды после Большого взрыва были настолько горячими и плотными, что даже атомы не могли сформироваться. Весь космос представлял собой кипящий суп из элементарных частиц, которые непрерывно сталкивались и превращались друг в друга. Прошло около четырехсот тысяч лет, и температура упала настолько, что электроны смогли соединиться с ядрами водорода и гелия. В тот момент пространство стало прозрачным для света. Тот самый свет, который тогда вырвался на свободу, ученые могут наблюдать и сегодня. Он называется реликтовым излучением и приходит к нам со всех сторон неба одновременно. Это похоже на эхо рождения нашего мира, которое звучит до сих пор.

После того как пространство остыло и стало прозрачным, наступил долгий и довольно скучный период. Астрономы называют его темными веками. Вокруг не было никаких источников света, потому что еще не родилось ни одной звезды. Все вокруг было заполнено только огромными облаками водорода и гелия. Эти облака постепенно сжимались под действием собственной гравитации. Внутри них росло давление и температура. И наконец, когда температура в центре такого облака поднялась до миллионов градусов, запустилась ядерная реакция. Так зажглись первые светила. Они были намного больше и ярче современных звезд. Эти гигантские объекты жили всего несколько миллионов лет — по космическим меркам это мгновение. А потом они взрывались как сверхновые. Во время этих взрывов внутри звезд рождались тяжелые элементы — углерод, кислород, железо. Именно из этих элементов миллиарды лет спустя сложились планеты и, в конечном счете, живые существа.

Как все выглядит сейчас

Если попробовать посмотреть на мироздание не с точки зрения отдельной звезды или даже отдельного звездного острова, а с очень большой высоты, можно увидеть удивительную и красивую картину. Оказывается, звездные системы не разбросаны хаотически, как горсть песка, упавшая на стол. Они соединены друг с другом тонкими перемычками из темной материи и разреженного газа. Эта гигантская сеть напоминает трехмерную паутину. В узлах этой паутины находятся густые скопления систем, а между узлами тянутся длинные и почти пустые пространства. Такие пустоты астрономы называют войдами. Внутри войдов почти нет никаких крупных объектов. Они выглядят как огромные безжизненные пузыри, окруженные яркими нитями из вещества.

Самые маленькие кирпичики этой грандиозной структуры — отдельные звезды. Они собираются в огромные россыпи, которые мы привыкли называть звездными островами или просто скоплениями. В одной средней такой россыпи может находиться от ста до четырехсот миллиардов светил. Наш дом, система, в которой мы живем, называется Млечный Путь. Он выглядит как плоский спиральный диск с заметным утолщением в центре. Вместе с двумя соседними объектами — Туманностью Андромеды и Треугольником — мы входим в так называемую Местную группу. Это примерно пятьдесят четыре системы, связанные между собой взаимным гравитационным притяжением.

Местная группа, в свою очередь, является лишь небольшой частью гораздо более крупной структуры. Она движется внутри Сверхскопления Девы, которое содержит несколько тысяч скоплений разного размера. А Сверхскопление Девы — это только один рукав внутри поистине гигантского образования под названием Ланиакея. Оно настолько огромно, что луч света пересекает его за пятьсот миллионов лет. Внутри этой сверхструктуры звездные россыпи текут, словно вода в реках, подчиняясь силе притяжения огромных масс, сосредоточенных в центре. В центре Ланиакеи находится Великий аттрактор — таинственная область, куда стягиваются все системы нашей сверхструктуры. Ученые не могут точно увидеть, что находится в этом центре, потому что его заслоняет плотный и яркий диск нашего Млечного Пути. Но гравитационное влияние этого невидимого объекта прекрасно чувствуется на расстоянии в сотни миллионов световых лет. Так, из маленьких кусочков собираются большие конструкции, а из больших — еще более огромные. И на каждом уровне действуют одни и те же законы физики.

Что происходит прямо сейчас

Космос нельзя назвать неподвижной картиной. Он не стоит на месте ни секунды. Он постоянно меняется прямо в ту самую минуту, пока вы читаете этот текст. Самое главное изменение, которое происходит с ним в наши дни, — это расширение. Звездные системы удаляются друг от друга, словно точки, нарисованные на надуваемом воздушном шарике. Причем чем дальше одна система находится от другой, тем быстрее увеличивается расстояние между ними. Это важнейшее открытие сделал американский астроном Эдвин Хаббл почти сто лет назад. Он заметил, что свет от далеких объектов выглядит немного краснее, чем должен выглядеть на самом деле. Этот эффект назвали красным смещением. Свет растягивается потому, что пространство, по которому он летит к нам, становится шире за время его долгого путешествия.

Расширение происходит не совсем одинаково во всех местах. Внутри плотных скоплений гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать объекты вместе. Например, наш Млечный Путь и Туманность Андромеды через несколько миллиардов лет не разлетятся в разные стороны. Наоборот, они столкнутся и сольются в одну большую систему. Гравитация внутри Местной группы пока успешно побеждает расширение пространства. А вот на очень больших расстояниях, между соседними сверхскоплениями, расширение отлично заметно, и ничто его не останавливает. Объекты, которые находятся очень далеко друг от друга, разбегаются навсегда. Их свет уже никогда не достигнет наших телескопов. Пространство между ними расширяется быстрее, чем этот свет может лететь.

Самое удивительное открытие последних десятилетий заключается в том, что расширение нашего мира не замедляется, как можно было бы ожидать под действием гравитации, а наоборот, ускоряется. Это выяснили две независимые группы астрономов, которые наблюдали за очень далекими взрывами сверхновых звезд. Оказалось, что сегодня системы разбегаются быстрее, чем это было миллиард лет назад. За это ускорение отвечает та самая темная энергия, о которой мы подробно говорили во втором разделе. Она действует как таинственная сила, которая раздвигает само пространство, преодолевая гравитационное притяжение. Прямо сейчас, в эту самую минуту, расстояние между далекими скоплениями становится чуть больше, чем было минуту назад. Мы не чувствуем этого, потому что наша планета, солнечная система и даже наш звездный остров слишком малы, чтобы расширение внутри них было хоть сколько-нибудь заметным. Но на масштабах сотен миллионов световых лет этот процесс идет непрерывно и неумолимо.

Будущее: три главных сценария

Ученые построили три возможных сценария того, что ждет наш космос в далеком-далеком будущем. Какой именно сценарий окажется реальным, зависит от двух главных вещей. Первая — это общее количество вещества в мире, которое создает гравитацию и пытается остановить расширение. Вторая — это свойства темной энергии, которая, наоборот, заставляет пространство расширяться. В зависимости от того, какая из этих двух сил в итоге окажется сильнее, будущее будет выглядеть совершенно по-разному.

Первый сценарий называется Большим сжатием. Он возможен в том случае, если гравитация в какой-то момент все-таки пересилит расширение. Тогда расширение сначала замедлится, потом остановится, а потом запустится обратный процесс. Звездные системы, которые раньше разбегались во все стороны, начнут медленно сближаться. Они будут сливаться все быстрее и быстрее, температура в космосе начнет расти. В конце концов все вещество соберется обратно в одну крошечную точку чудовищной плотности. Это состояние будет очень похоже на то, с которого все начиналось до Большого взрыва. Некоторые физики предполагают, что после Большого сжатия может случиться новый Большой взрыв, и тогда история мироздания повторится снова.

Второй сценарий называется тепловой смертью. На сегодняшний день большинство ученых считают его самым вероятным. Темная энергия продолжит раздвигать системы, и они будут удаляться друг от друга все дальше и дальше. Постепенно в этих системах закончится газ, из которого рождаются новые звезды. Самые яркие и тяжелые светила сгорят первыми, превратившись в белые карлики или нейтронные звезды. Останутся только тусклые красные карлики, которые будут медленно тлеть еще очень долго. Потом погаснут и они. Звезды превратятся в холодные остывшие куски вещества. Черные дыры будут понемногу испаряться за счет излучения Хокинга. В самом конце весь космос превратится в очень разряженное облако элементарных частиц, летящих далеко друг от друга. Температура везде станет почти одинаковой и близкой к абсолютному нулю. Никакой работы, никакого движения в привычном смысле этого слова уже не будет. Наша реальность достигнет состояния полного покоя, в котором ничего не меняется, потому что меняться уже просто нечему.

Третий сценарий называется Большим разрывом. Он возможен, если темная энергия со временем станет еще сильнее, чем сейчас. Тогда расширение пространства будет ускоряться настолько быстро, что начнет разрывать не только скопления систем, но и сами звездные острова. Потом расширение разорвет отдельные звездные системы, и планеты улетят от своих светил. Затем пространство начнет растягивать сами звезды и планеты. За несколько минут до конца это чудовищное расширение разорвет атомы на отдельные протоны, нейтроны и электроны. А в последнюю долю секунды оно разорвет само пространство и время. Этот сценарий выглядит самым драматичным и быстрым. Но повторим еще раз: большинство астрономов сегодня склоняются к тому, что реализуется второй сценарий — тепловая смерть. До нее остались сотни триллионов лет, так что у человечества и любых других форм жизни, которые могут появиться после нас, есть очень много времени.

Неразрешенные вопросы

Даже после всех грандиозных открытий, сделанных человечеством за последнюю сотню лет, в нашем мире остается еще очень много загадок.

Одна из главных загадок связана с формой окружающего пространства. Тщательные измерения показывают, что космос почти плоский. Это значит, что параллельные линии в нем не сходятся и не расходятся на огромных расстояниях. Но для того чтобы он оставался плоским, количество вещества и энергии в нем должно быть строго определенным. Современные измерения сходятся к этому критическому значению с очень высокой точностью. Физики пока не понимают, почему плотность мироздания оказалась именно такой, а не какой-то другой. Это похоже на ситуацию, когда карандаш, поставленный на кончик, стоит идеально ровно и не падает ни в одну из сторон.

Другая загадка касается количества материи и антиматерии. Согласно законам физики, во время Большого взрыва должно было родиться одинаковое количество частиц материи и антиматерии. При встрече они уничтожают друг друга, превращаясь в чистое излучение. Если бы их родилось поровну, после взаимного уничтожения в пространстве не осталось бы ничего, кроме света. Но мы существуем. Вокруг нас есть звезды, планеты и люди. Значит, материи в итоге оказалось чуть-чуть больше, чем антиматерии. Примерно на один лишний протон на каждый миллиард пар. Физики пока не могут объяснить, откуда взялось это небольшое неравенство и почему природа слегка предпочла материю.

Самый трудный и, пожалуй, самый захватывающий вопрос звучит так: что было до Большого взрыва? Наша современная физика перестает работать в тот момент, когда плотность и температура становятся бесконечными в сингулярности. Ученые не могут заглянуть дальше этого порога, потому что время как таковое появилось только вместе с нашим миром. Некоторые теории предполагают, что наш космос мог родиться внутри другой вселенной. Другие модели говорят о том, что он циклически сжимается и расширяется снова и снова, без начала и без конца. Есть и гипотеза квантовой пены, где пузырьки пространства-времени постоянно возникают и исчезают, а наша реальность — просто один из таких пузырьков, который по каким-то причинам вырос до гигантских размеров. Существует также гипотеза мультивселенной, согласно которой существует бесконечное множество параллельных миров, каждый со своими законами физики. В одних таких мирах звезды не могут зажечься, в других не образуются атомы, и только в очень редких возникают условия, подходящие для жизни. Прямых доказательств этих гипотез пока нет, но физики активно ищут способы их проверить. Например, если наш мир когда-то сталкивался с другим, такое столкновение могло оставить заметный след в реликтовом излучении. Пока что похожих следов не найдено, но поиски продолжаются.

Коротко и ясно: главные цифры и понятия

Для удобства запоминания сложных космических понятий можно использовать простые и наглядные объяснения.

Реликтовое излучение — это слабый радиошум, который идет к нам со всех сторон неба совершенно одинаково. Оно возникло через четыреста тысяч лет после Большого взрыва, когда пространство впервые стало прозрачным для света. С тех пор этот древний свет путешествует по космосу, постепенно теряя свою энергию и превращаясь из видимого в микроволновое излучение. Если настроить старый телевизор на пустой канал, небольшой процент помех на экране будет приходить именно от реликтового излучения.

Планковская длина — это самая маленькая измеримая длина в современной физике. Меньше этого расстояния уже нельзя ничего измерить или даже мысленно представить. Эта величина настолько крошечная, что обычный атом больше планковской длины примерно так же, как вся наблюдаемая часть нашего мира больше одного единственного атома.

Энтропия — это мера беспорядка или количество способов, которыми можно расположить частицы внутри какой-либо системы. В замкнутой системе, такой как весь наш космос, энтропия постоянно растет. Именно поэтому тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, а не наоборот. Максимальная энтропия означает состояние, в котором все равномерно перемешано и никаких заметных изменений больше не происходит.

А вот и несколько важных цифр, которые полезно запомнить.

Возраст нашего мира составляет 13,8 (тринадцать целых и восемь десятых) миллиарда лет. Астрономы определили эту цифру с точностью до одного процента, измеряя скорость расширения пространства и остывание реликтового излучения.

Диаметр наблюдаемой области, то есть той части, откуда до нас еще может долететь свет, составляет примерно 93 (девяносто три) миллиарда световых лет. Это намного больше, чем тринадцать миллиардов лет, потому что за время путешествия света пространство значительно расширилось, и источник успел удалиться гораздо дальше.

Температура реликтового излучения сегодня составляет -270 (минус двести семьдесят) градусов по Цельсию, или 2,7 (два и семь десятых) градуса выше абсолютного нуля.

Самая наглядная и популярная визуализация истории мироздания называется космическим календарем. Если сжать все тринадцать с половиной миллиардов лет в один обычный год, то Большой взрыв случится в полночь первого января. Наш Млечный Путь сформируется в марте. Солнечная система появится только в конце августа. Первые живые клетки на Земле возникнут в середине сентября. Динозавры вымрут тридцатого декабря. А первые люди появятся на сцене всего за две минуты до полуночи тридцать первого декабря. Вся письменная история человечества, все войны, великие открытия и изобретения укладываются в последние десять секунд этого года. Каждый человек, который сейчас читает этот текст, живет в самую последнюю долю секунды космического календаря. Это простое сравнение помогает понять, насколько молода человеческая цивилизация по сравнению со звездами и далекими мирами.

Каждый атом углерода, который содержится в нашем теле, каждый атом кислорода в каждом нашем вдохе и каждый атом железа в нашей крови были созданы внутри давно погибших огромных звезд. Эти светила взорвались миллиарды лет назад и разнесли драгоценные частицы по всей округе, дав начало новым мирам. Мы не просто смотрим на звездное небо с восхищением или любопытством. Мы сами буквально состоим из звездного вещества, которое прошло долгий и удивительный путь — от первых мгновений после Большого взрыва до сегодняшнего дня, когда оно обрело способность мыслить и чувствовать. Изучая этот огромный и загадочный мир, мы на самом деле изучаем собственное происхождение и находим свое место в этом холодном, бескрайнем и прекрасном космосе.