Starmus – уникальный междисциплинарный фестиваль для специалистов из различных областей знания – астрономов, космонавтов, космологов, физиков, философов, музыкантов, художников, биологов и других. Всех нас объединяет интерес ко вселенной: к тому, как она начиналась и что представляет собой сегодня, к тому, как мы можем исследовать ее, использовать ее многогранные свойства и ресурсы. Starmus начался и развивался под руководством астрофизика Гарика Исраэляна.

С позиции космолога и физика я хочу рассказать о двух волнующих событиях, произошедших со времени первого фестиваля Starmus (состоявшегося в 2011 году). Первое из них – это открытие бозона Хиггса, частицы массой примерно 125 гигаэлектроновольт (ГэВ), состоявшееся в результате исследований на Большом адронном коллайдере. Это открытие завершает Стандартную модель физики частиц, которая описывает почти все физические явления. Правда, некоторые опасения вызывает потенциал Хиггса, так как он может становиться метастабильным при энергиях выше 10¹¹ ГэВ. Это может означать, что существует вероятность катастрофического вакуумного распада, при котором пузырь истинного вакуума начнет расширяться со скоростью света. Подобное может произойти в любой момент, и мы не в состоянии это предсказать. К счастью, предполагаемый период распада бозона Хиггса больше, чем возраст нашей вселенной.

Если потенциал бозона Хиггса действительно метастабилен, это накладывает важные ограничения на эволюцию вселенной и опирается на представление о том, что во вселенной больше барионов, чем антибарионов. Вероятность перехода бозона Хиггса в метастабильное состояние в огромной степени зависит от величины его массы и массы t-кварка, а также от того, применима ли вообще стандартная модель к энергиям порядка 10¹¹ ГэВ. Все это пока неясно и нуждается в дальнейших экспериментах.

И это не могут быть эксперименты исключительно в сфере физики частиц. Размеры ускорителя частиц, способного достичь 10¹¹ ГэВ, были бы больше размеров Земли – такой проект вряд ли будет профинансирован при нынешнем экономическом климате. Однако есть и другие методы. Ранняя вселенная, вероятно, содержала частицы, обладавшие куда большей энергией. Мы не можем наблюдать их электромагнитное излучение, потому что примерно до 350 000 лет после своего рождения вселенная оставалась непрозрачной. Но гравитационные волны, излученные в самые ранние эпохи, свободно достигают нас, и они могут предоставить нам уникальную возможность увидеть первые этапы жизни вселенной.

В согласии с общепринятой точкой зрения, молодая вселенная прошла через период быстрого экспоненциального расширения, который называется эпохой инфляции. Почти 40 лет назад мы с Гэри Гиббонсом доказали, что в экспоненциально расширяющейся вселенной эффективная температура равняется темпу расширения (H), поделенному на 2π. Это некоторый аналог температуры черной дыры (которую я открыл двумя годами ранее), только связанный с космологическим горизонтом, а не с горизонтом черной дыры.

Тепловые флуктуации, возникающие под влиянием этой температуры, создавали в ранней вселенной два типа возмущения: скалярные возмущения (соответствующие вариациям плотности) и тензорные возмущения, представляющие собой гравитационные волны. Эти скалярные возмущения – причина колебаний температуры реликтового излучения на поверхности последнего рассеивания. Их впервые зарегистрировал спутник COBE в 1993 году, а позднее более детальные данные были получены спутниками WMAP и Planck. Эти наблюдения соответствуют нашим предсказаниям и представляют экспериментальное подтверждение теории инфляции.

Тензорные возмущения обнаружить сложнее, так как они слабее и не влияют напрямую на температуру реликтового излучения, а лишь на поляризацию этого излучения. В марте 2014 года команда эксперимента BICEP2 заявила, что они обнаружили тензорные возмущения с амплитудой в 20 % от скалярных возмущений. Это гораздо выше, чем кто-либо мог ожидать. Однако позднее экспериментаторы признали, что причиной этих сигналов могли быть частички космической пыли, которые также могут придавать реликтовому излучению некоторую поляризацию. Еще несколько экспериментов, нацеленных на измерение тензорных возмущений, находятся в стадии разработки. Будем надеяться, что они принесут плоды уже ко второму фестивалю Starmus в сентябре 2014 года[1].

Я заключил пари с Нилом Туроком, директором института Периметра, что тензорные возмущения составят как минимум 5 % от скалярных. Если я выиграю, мне достанется бутылка канадского шампанского и 200 канадских долларов!

В своем выступлении я хочу перенести вас назад, еще дальше, чем забрались астронавты, назад на 13,8 миллиарда лет, к самому началу Большого взрыва.

При помощи обычных телескопов мы не можем увидеть, что происходило в то время, поскольку свет не может оттуда вырваться. Единственный путь исследований, косвенных и не представляющих угрозу для жизни, – это эксперименты с частицами, цель которых – понять фундаментальные законы физики, и об этом я хотел бы вам рассказать. Кроме того, за последние несколько лет обнаружилось, что эти эксперименты с частицами могут рассказать нам о том, что может случиться со вселенной в отдаленном будущем, это очень впечатляющие вещи, о которых я скажу ближе к концу этого доклада.

Мой доклад называется «От маленьких взрывов к Большому взрыву». Вы все знаете о Большом взрыве, поэтому позвольте мне представить маленькие взрывы. В ЦЕРН, рядом с Женевой, в Швейцарии, у нас есть Большой адронный коллайдер (БАК) – крупнейшая в мире фабрика маленьких взрывов. Его окружность составляет 27 километров, так что можно сказать, что по человеческим масштабам он довольно большой. И, конечно, в него были вложены большие ресурсы – не так много, как в программу «Аполлон», но со времен «Аполлона» это крупнейшая научная программа.

Вы все слышали о бозоне Хиггса, и именно Хиггс предложил идею о том, как элементарные частицы вещества обретают свою массу. Одной из целей взрывов, которые мы производим около Женевы, является обнаружение описанной Хиггсом частицы[2]. Мы также пытаемся понять другие фундаментальные свойства вселенной, например, понять природу темной материи, невидимого вещества, которое, как говорят нам астрофизики, заполняет вселенную.

Когда я говорю перед непрофессиональной публикой, я часто иллюстрирую то, что мы делаем в наших экспериментах по физике частиц, знаменитой картиной Поля Гогена. Многие из вас знакомы с ней. Группа людей на одном из островов Южных морей задает самые фундаментальные вопросы о нас и нашем месте во вселенной – кто мы? откуда мы взялись? куда мы идем? Если вы вынесете отсюда хоть что-нибудь полезное, надеюсь, это будет представление о том, что физика частиц как раз ищет ответы на эти вопросы, в частности с помощью экспериментов на БАК в ЦЕРН. Если уложить это в одну фразу, мы пытаемся понять, из чего сделана вселенная. Раз уж люди здесь много говорили о своих биографиях, позволю себе заметить, что, когда я оканчивал университет, на стене моей комнаты висела копия этой картины Гогена, просто чтобы напоминать мне, зачем я каждый день прихожу на работу. И до сих пор я хожу на работу по той же причине.

Вот космическая линейка – фактически, это космическая логарифмическая линейка без визира и с логарифмической шкалой. Эта логарифмическая линейка с одного края имеет крупнейший масштаб во вселенной – 10²⁸ сантиметров. Иногда, пытаясь перевести это в повседневные понятия, я говорю – подумайте о дефиците американского бюджета, выразите его в центах и возведите в квадрат. Вы получите что-то около 10²⁸. А на другом краю линейки у нас наименьший масштаб, который рассматривают физики, – 10^-32 см. В середине этой шкалы у меня человеческий масштаб, порядка метра. Возможно, вы узнаете одного из людей на этой фотографии. Это Альберт Эйнштейн со своей маленькой сестрой. Внутри Альберта Эйнштейна и его сестры, конечно, находятся молекулы, атомы, ядра. Внутри ядер находятся эти штуки под названием протоны и нейтроны, и наименьшие составляющие ядра, о которых мы знаем, мы называем кварки. Нас, исследователей в области физики частиц, интересует то, что находится внутри этого, самая – если хотите – тончайшая структура вещества.

Наверное, вам будет интересно услышать о связи между этой тончайшей структурой вещества и тем, что происходит во вселенной на очень больших масштабах. Я уже упоминал астрофизическую темную материю, и я вернусь к ней позже. Ее природа может оказаться одной из тех тайн, которые нам удастся разгадать в результате наших экспериментов, как и происхождение самого вещества, как и прошлое и будущее нашей вселенной.

Еще одна мысль, которую я бы хотел донести до вас на этой встрече, это то, что эксперименты на машинах вроде Большого адронного коллайдера позволяют увидеть то, что не сможет увидеть напрямую даже космический телескоп им. Джеймса Уэбба. Вы, вероятно, думаете о БАК как о супермикроскопе, но вы можете рассматривать его и как своего рода супертелескоп.

Приключения физики частиц начались немногим более сотни лет назад. Виктор Гесс поднялся в воздух на воздушном шаре и обнаружил космические лучи, энергетические частицы, прилетающие из открытого космоса. В первой половине XX века многие открытия физики частиц были совершены во время наблюдений за тем, что происходит, когда космические лучи попадают в верхние слои атмосферы и производят ливень из других частиц. Одним из примеров служит антивещество, к которому мы вернемся позже.

Но примерно в середине прошлого века физики выяснили, что если они хотят детально изучать эти частицы и открыть законы, которые управляли вселенной, когда она была еще очень молода, им потребуются систематические исследования в контролируемых условиях лаборатории. Поэтому они стали разрабатывать ускорители частиц. В 1950–1980-х годах эти эксперименты породили то, что мы сейчас несколько прозаично называем стандартной моделью физики частиц.

Одним из основоположников этой теории был уроженец Пакистана Абдус Салама. Вместе с двумя американскими физиками, Шелдоном Глэшоу и Стивом Вайнбергом, он разработал эту теорию, опираясь на идеи Питера Хиггса и других, к которым я вскоре вернусь. Первое экспериментальное подтверждение предсказаний этой теории было получено в 1970-х в ходе экспериментов в ЦЕРН, примерно в то же время, когда вы, парни из первого ряда, весело рассаживались на свои ракеты. Более подробные исследования в 1980-х и 1990-х подтвердили, что эта теория весьма точно описывает все видимое вещество во вселенной.

Из чего же состоит стандартная модель? С одной стороны, она содержит частицы вещества. Я уже упоминал электрон, ядро и внутри него самые элементарные из частиц, которые мы можем наблюдать, эти штуки, называемые кварками. Мы знаем теперь, что есть шесть различных видов кварков. В дополнение к электрону есть две другие электроноподобные частицы, более тяжелые, одна из которых (мюон) была обнаружена в космических лучах. Вместе с тремя типами нейтрино они составляют частицы вещества.

Нам известны четыре основных взаимодействия между частицами вещества, из которых два широко известны. Одно из них, конечно, гравитация, о которой мы услышали от наших друзей-астронавтов. Другое – электромагнетизм, основы которого сформулировал Джеймс Клерк Максвелл 150 лет назад, когда он работал профессором Королевского колледжа в Лондоне. Затем у нас есть сильные ядерные взаимодействия, которые удерживают ядра от распада, и слабые ядерные взаимодействия, которые отвечают за некоторые виды радиоактивности. Мне нравится думать об этих частицах и их взаимодействиях как о некоторым образом составляющих космическую ДНК. Их свойства содержат в закодированном виде всю информацию, которая требуется для создания всех видимых объектов вселенной, и очень даже правильных объектов, но не хватает одной детали: понимания, откуда у элементарных частиц берется масса.

Если бы электроны не имели массы, не было бы и атомов, потому что электроны сбежали бы от ядер со скоростью света. Если бы частицы, отвечающие за слабые взаимодействия, не были очень тяжелыми, эти слабые взаимодействия не были бы слабыми, и все мы светились бы в темноте. На самом деле, жизнь была бы невозможна по целому ряду других причин. Поэтому очень важно понимать, откуда у элементарных частиц берется масса, и тут вступают Питер Хиггс и его друзья. Так что позвольте мне немного поговорить о том, почему это такая трудная задача.

Свет переносится частицами, называемыми фотонами, существование которых впервые постулировал Эйнштейн. Именно за это он получил свою Нобелевскую премию, когда использовал идею фотона, чтобы объяснить, как свет взаимодействует с веществом при фотоэлектрическом эффекте. Фотон – это не имеющая массы частица, которая всегда передвигается со скоростью света.

Сильные ядерные взаимодействия переносятся частицей, которая похожа на фотон, и называется глюон. Это «клей», который удерживает ядро от распада. Частица глюон, отвечающая за этот клей, была открыта в 1970-х и, подобно фотону, не имеет массы.

А что слабые взаимодействия, слабые силы, отвечающие за радиоактивность? Хидеки Юкава постулировал в 1930-х, что их могут переносить особые частицы. При этом он понимал, что такая частица должна быть массивной, она не может не иметь массы, как фотон. Юкава был прав, но только в 1983 году эксперименты показали, насколько тяжела эта частица, а именно, что ее масса сравнима с массой ядра средних размеров. Вам придется представить, что каким-то образом глубоко внутри элементарных частиц существуют силы, которые переносятся штуками, тяжелыми как ядра. Это звучит довольно странно, но у нас есть Питер Хиггс и его друзья, которых надо благодарить за понимание, как такое могло случиться. Я говорил выше о вопросах Гогена. Что будет, если мы переведем вопросы Гогена на язык физики частиц?

«Кто мы?» – спрашивал он. Ну что ж, для нас, специалистов по физике частиц, это переводится как: «Из чего состоит вещество?» Я уже рассказал вам большую часть ответа на этот вопрос, но есть еще одна очень важная часть, которой у нас до недавнего времени не было. Она объясняет, почему вещи что-то весят, почему у вещей есть масса. Здесь вступают Питер Хиггс и его друзья.

Мы знаем, что во вселенной есть вещество. Мы также знаем, что антивещества не так много. В конце концов, когда вы, ребята, высадились на Луне, вы не превратились во вспышку излучения, не так ли? Луна состоит из вещества, как и все остальное в видимой части вселенной, насколько мы можем судить. Откуда взялось вещество и почему антивещества совсем немного? Из-за какой-то небольшой разницы между частицами вещества и антивещества?

Я кратко упомянул темную материю. Астрофизики говорят нам, что на самом деле невидимой темной материи во вселенной гораздо больше, чем видимого вещества, про которое мы знаем, которое осязаем. Что это? Состоит ли она из каких-либо частиц?

Как развивается вселенная? Это возвращает нас к еще одному гогеновскому вопросу – откуда мы взялись и куда мы идем. Есть разные ответы на этот вопрос, и я думаю, что Чарли Дюк знает один особенный ответ. Мы, физики, смотрим на это по-другому, но у меня не хватит времени говорить об этом в этом докладе. Каково будущее вселенной? Я планирую вернуться к этому в конце нашего разговора.

Нам, физикам, очень повезло, потому что обращаться к этим вопросам – наша ежедневная работа. Время от времени мы находим один из ответов, и я думаю, что ответ, который дал нам Питер Хиггс, может на самом деле быть связан с некоторыми другими. Поэтому давайте еще раз взглянем на то, что сделали Питер Хиггс и его друзья.

Почему вещи имеют вес? Что же, Ньютон сказал нам, почему вещи весят: они весят потому, что имеют массу. И Эйнштейн, конечно, сказал нам, что энергия сродни массе. К сожалению, два этих выдающихся джентльмена как-то забыли сказать с самого начала, откуда же берется эта масса, и тут вступает Питер Хиггс, и его теория записана на доске. Она также написана на моей футболке. Так что позвольте мне разъяснить по футболке (см. с. 1 вклейки). Верхняя строчка описывает фундаментальные взаимодействия, вторая строчка – то, как эти силы действуют на элементарные частицы – фотоэлектрический эффект Эйнштейна. Третья строчка про то, как бозон Хиггса придает массы частицам вещества, таким как электрон. А нижняя строчка своего рода теоретическая ракета, которая запускает всю эту штуку.

Ключевым моментом его теории является то, что подобно тому, как с электричеством и магнетизмом ассоциирована частица фотон, есть частица, связанная с его механизмом, и она-то и называется бозон Хиггса. Между прочим, Питер Хиггс был и студентом, и аспирантом в Королевском колледже в Лондоне. Возможно, вы удивлены тем, сколько раз я упоминаю Королевский колледж в Лондоне. Это потому что я там работаю профессором, заходите в гости.

Люди связывают все эти идеи с Питером Хиггсом, но я хочу подчеркнуть, что есть еще множество разных людей, у которых схожие идеи появились в то же время. Причина, по которой мы дали этому бозону имя Хиггса, а не Энглера – Браута – Хиггса – Гуральника – Хагена – Киббле и еще кое-кого, состоит в том, что Питер Хиггс был единственным, кто на самом деле привлек внимание научной общественности к факту, что такая частица должна существовать. Простите, если сейчас я перейду на слишком технический уровень, но я хотел бы быстро пояснить вам, что на самом деле сделал Хиггс и чего не сделали остальные.

Предполагается, что вы рассматриваете вселенную, похожую на мексиканскую шляпу. У мексиканской шляпы есть выпуклость в середине и поля с краю. В каком состоянии вселенная хочет находиться? Как указывали Намбу, Голдстоун и другие, она не захочет находиться на вершине в центре шляпы. Она захочет скатиться на край. Тогда, как указывали Энглет, Браут, Хиггс и другие, по мере того, как вселенная оказывается на краю полей шляпы, частица-переносчик слабого взаимодействия, электрон и связанные с ними частицы приобретают массу. Дополнительная вещь, на которую указал Питер Хиггс, становится довольно очевидной, если вы посмотрите на мою картинку. Могут быть осцилляции, квантовые вибрации, идущие радиально вверх и вниз по краям шляпы, и эти вибрации вверх и вниз по краям шляпы соответствуют частице, которую мы называем бозоном Хиггса.

Теперь позвольте мне предложить вам аналогию, чтобы подумать обо всем этом. Согласно идеям Питера Хиггса и других исследователей, существует то, что мы, физики, называем полем; возьмите электромагнитное поле, возьмите гравитационное поле, возьмите поле Хиггса, распространяющиеся на всю вселенную – однородное, изотропное, одно и то же во всех направлениях. Я люблю сравнивать его со снежным полем в Сибири, простирающимся во всех направлениях, покуда видит глаз. Таким же образом у нас есть это универсальное снежное поле Хиггса, которое является средой, проницающей весь космос. Теперь попробуем пересечь хиггсовскую Сибирь. Если мы умные, то у нас будут лыжи, и мы будем очень быстро скользить поверх этого хиггсовского снега. Мы не будем проваливаться, мы не будем взаимодействовать с этим полем Хиггса. Это как частица, не имеющая массы, как фотон. Он не взаимодействует с полем Хиггса. Он как лыжник, который движется очень быстро – в случае фотона всегда со скоростью света.

Но предположим, что на вас снегоступы. В этом случае вы будете проваливаться в снег, и это – аналогия взаимодействия с полем Хиггса. Вы передвигаетесь медленнее лыжника, что похоже на частицу, которая движется медленнее скорости света, которая имеет массу, может быть, на электрон. Наконец, вы можете оказаться достаточно сумасшедшим, чтобы попробовать пересечь эту хиггсовскую Сибирь вовсе без снаряжения. В этом случае вы погрузитесь очень глубоко. Вы будете сильно взаимодействовать с этим снежным полем Хиггса, будете двигаться гораздо медленнее скорости света, как частица с очень большой массой.

Так из чего сделан снег? Каков квант снежного поля Хиггса? Все мы знаем, что снег состоит из снежинок, так что бозон Хиггса в некотором смысле можно рассматривать как снежинку. И даже если вы думаете, что это ненадежная теория, знайте, что она была подтверждена экспериментом. Однако на это ушло много времени. Вот график, который я украл из журнала Economist, и на нем показано, сколько ушло времени на экспериментальное подтверждение существования первоначально гипотетических частиц. В случае бозона Хиггса на это ушло 48 лет – достаточно времени, чтобы Хиггс превратился из волосатого юноши в пожилого человека без волос.

Питер Хиггс и его друзья предложили эти идеи в 1964 году. Мой личный интерес к этому вопросу появился в 1975 году, когда с двумя коллегами, Мари Гайяр и Димитри Нанопулосом, мы пытались выяснить, как эта частица будет выглядеть, о чем в то время мало кто думал. Но мы были крайне не уверены в этих идеях. Мы не были уверены, что Хиггс не порет чушь. Поэтому мы были осторожны и в конце статьи написали, что мы не поощряем большой эксперимент по поиску бозона Хиггса. К счастью, коллеги-экспериментаторы проигнорировали наш скромный совет.

Как искать бозон Хиггса? Нужно сталкивать частицы очень высоких энергий. Вот модель высокоэнергетического столкновения двух протонов. В таком столкновении рождается множество заряженных частиц и множество нейтральных, и в этой симуляции скрыт бозон Хиггса. Я говорю, что он скрыт, потому что это нейтральная частица, и она не оставляет следов, а кроме того, это очень нестабильная частица, так что впрямую вы ее не увидите в любом случае. Но в этой симуляции она распалась на две частицы очень высокой энергии, вот эти две синие башни справа и еще две желтые линии слева.

Задача экспериментов на БАК состоит в поиске таких вот вещей среди миллиардов и миллиардов других столкновений, среди той кучи мусора, которая тоже производится. Я уже говорил вам, что он большой, 27 км в окружности. В среднем он находится на глубине 100 метров под землей, и когда он работает, тысячи миллиардов частиц, протонов, летят по кругу в противоположных направлениях, сталкиваясь и воссоздавая условия, существовавшие на ранних этапах Большого взрыва.

Просто чтобы подразнить моих друзей-астрофизиков, позволю вам заглянуть внутрь Большого адронного коллайдера. Там есть трубы, по которым частицы движутся по кругу. Они должны соударяться, так что нужно добиться глубокого вакуума, чтобы протоны сталкивались друг с другом, а не с молекулами газа. Вакуум внутри этих труб лучше того, что был у вас на поверхности Луны. Простите меня за это. Теперь для Джона Мэзера, который сидит во втором ряду, я бы хотел провести сравнение с открытым космосом. Наши магниты охлаждены до температуры в 1,9° выше абсолютного нуля, в то время как космическое микроволновое излучение имеет температуру в 2,7° выше абсолютного нуля. Так что я заявляю, что физика частиц на 0,8 градуса круче, чем космология. Кроме тех случаев, конечно, когда происходит столкновение, потому что при этом на очень короткий момент образуется невероятно маленькое и невероятно горячее пространство, из которого вылетают десятки, сотни, может быть, тысячи частиц, и на короткий момент получается точка с температурой намного, намного выше, чем в центре Солнца.

Потом мы пытаемся зарегистрировать эти частицы, и на БАК идут четыре больших эксперимента, я хочу подчеркнуть, что в эти эксперименты вовлечены тысячи физиков из буквально десятков стран. Это по-настоящему всемирные усилия. Это не просто группа швейцарских парней играет с часами, это настоящая работа мирового масштаба.

Теперь кое-что про открытие бозона Хиггса. Мне кажется, что описать реакцию физиков, занимающихся частицами, на то, что эта частица в конце концов была обнаружена, можно как массовую хиггстерию. И в нескольких экспериментах нам удалось обнаружить следующее. В рамках ATLAS, одного из больших экспериментов по поиску бозона Хиггса, увидели такую картину: если вы присмотритесь очень внимательно, вы увидите четыре прямые красные линии, выходящие из столкновения – две вверх и налево и две, выходящие снизу. Это энергичные частицы, которые могли появиться при распаде бозона Хиггса, и это похоже на симуляцию. Это событие увидели и в другом эксперименте по охоте на бозон Хиггса, CMS. Его поведение иллюстрируют замеченные в космических лучах линии. Они соответствуют двум частицам с высокой энергией, возможно, очень энергичным фотонам. Они не заряжены, потому что не оставляют за собой следа, и такой распад бозона Хиггса на два фотона был рассчитан нами с Мари Гайяр и Димитрием Нанопулосом в 1975 году.

4 июля 2012 года ATLAS и CMS осмелились заявить об открытии новой частицы. На другой стороне Атлантики 4 июля отмечается по другому поводу, но у нас, по крайней мере, в то 4 июля, было свое большое празднование.

Что же обнаружили в ходе экспериментов? Что ж, в основном ничего. То, что вы видите здесь, это данные, выбивающие основу из-под известной физики. Они колеблются вверх и вниз, но нет ничего существенного, да? Никакого бозона Хиггса, не на чем глаз остановить. Но если убрать наложение в середине, вы увидите очень значительный пик. В нем – переизбыток полезных событий, и это то, что, как мы полагаем, и есть бозон Хиггса, наконец появляющийся из шума.

Бозон Хиггса – это важная вещь. Без бозона Хиггса не было бы атомов, потому что у электронов не было бы массы, и они улетали бы от ядра со скоростью света. Не было бы тяжелых ядер, потому что у кварков не было бы массы. Слабые взаимодействия, ответственные за радиоактивность, не были бы слабыми. Они были бы той же силы, даже сильнее, чем электричество и магнетизм, и жизнь была бы невозможна. Не просто все было бы радиоактивным, но и вселенная была бы совсем не похожа на нашу вселенную.

Когда бозон Хиггса начал играть важную роль во вселенной? Сегодня она заполнена космическим микроволновым фоновым излучением, которое высвободилось при формировании атомов примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого не было ни атомов, ни химии, ни биологии, только физика. Когда вы сдвинетесь еще дальше назад, к моменту, когда вселенной было меньше трех минут, вы обнаружите, что там не было ядер, только протоны, электроны, фотоны и т. п. Вот так, никакой ядерной физики тогда еще не было. Если сдвинуться еще, к тому времени, когда от рождения вселенной была одна микросекунда, можно было бы обнаружить, что там не было протонов и нейтронов, вокруг летали только кварки и глюоны. Мы думаем, что если еще сдвинуться к возрасту вселенной в одну пикосекунду, т. е. одну миллионную миллионной доли секунды, то вот это будет тот момент, когда начал свою работу бозон Хиггса, и до этого момента у частиц не было массы.

Возвращаясь к моей аналогии со снежным полем, когда возраст вселенной был одна миллионная одной миллионной доли секунды, вселенная была настолько горяча, что снег не мог выпасть и образовать снежный покров. С помощью БАК мы исследуем временной промежуток от одной микросекунды до одной пикосекунды после Большого взрыва. Мы думаем, что в этот момент, возможно, была произведена темная материя. Это одна из вещей, которые мы сейчас ищем на БАК, и я к этому вернусь через короткое время. Возможно, и само вещество появилось примерно тогда же, когда бозон Хиггса сотворил свое чудо. Продолжая свои эксперименты, мы пытаемся ответить на эти гогеновские вопросы.

Ответы на них требуют новой физики, находящейся за пределами стандартной модели, которая описывает видимое вещество во вселенной. Говоря словами Джеймса Бонда, стандартной модели недостаточно[3]. И ниже я перечислю 007 причин для этого.

Первая причина в том, что пустой космос нестабилен, если нет ничего, кроме стандартной модели, и я вернусь к этому позже. Затем есть вопрос о природе темного вещества и вопрос о появлении вещества как такового. И откуда у нейтрино взялась масса? (это, скорее всего, потребует некоторого расширения механизма Хиггса). Почему слабые взаимодействия так сильны? Что объясняет огромные размеры и возраст вселенной? Причиной ли этому загадочная космологическая инфляция? И как мы создадим квантовую теорию гравитации? Это все нерешенные задачи, с которыми мы сейчас сталкиваемся. Я немного расскажу о паре этих проблем, а затем в гранд-финале вернусь к вопросу о нестабильном космосе.

Астрофизики говорят нам, что если мы хотим понять, как не распадаются галактики и, для начала, как вообще сформировались галактики, нужно учесть, что невидимого слабо взаимодействующего темного вещества должно быть больше, чем того видимого вещества, из которого состоят звезды и состоим мы. Возможно, темное вещество состоит из частиц, одна из идей – это так называемые суперсимметричные частицы. Это партнеры известных частиц, которые вращаются с иной скоростью. Суперсимметричные частицы будут иметь значение спина J, отличное от обычных частиц. Никто их никогда не видел и само их существование на текущий момент весьма спекулятивно. Это одна из тех вещей, которые мы ищем на БАК, особенно при увеличении энергии столкновений. Мы не сможем увидеть частицы темной материи непосредственно, потому что они взаимодействуют слабо. Они нейтральны и не светят, но их можно зарегистрировать косвенно, потому что они невидимо уносят из системы энергию и импульс.

Общественный интерес к физике антивещества поддерживается благодаря сериалу «Звездный путь», хотя часть вины лежит и на Томе Хэнксе. Мы, физики, любим изучать антивещество не потому, что, господи упаси, хотим уничтожить Ватикан, а потому, что мы крайне заинтересованы в небольшой разнице между веществом и антивеществом. Поль Дирак и другие физики думали, что частицы вещества и антивещества будут одинаковыми в некоторых свойствах, таких как масса, и противоположны в других. Например, у них будет противоположный электрический заряд. Как я говорил выше, антивещество было обнаружено в космических лучах, а теперь оно рутинным образом используется в медицинской диагностике. Не знаю, проходил ли кто-нибудь в этой аудитории ПЭТ-сканирование – похоже, парочка таких тут есть. «П» в ПЭТ означает позитрон, первую из обнаруженных частиц антивещества. Когда люди обнаружили, что на самом деле вещество и антивещество не то чтобы в чем-то одинаковы и в чем-то противоположны, это стало для всех большим сюрпризом. Российский физик Андрей Сахаров предположил, что эта разница может объяснять, почему вселенная сегодня содержит вещество, а не антивещество. Чтобы понять, верно это или нет, в ЦЕРН ведутся специальные эксперименты.

Мы, физики, мечтаем о том времени, когда мы объединим все фундаментальные взаимодействия. В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн искал универсальную теорию всего, но не нашел ее. Одной из идей, с которыми играл Эйнштейн, была идея о том, что у пространства могут быть дополнительные измерения. Сегодня это стало очень популярной темой в теориях квантовой гравитации, таких, как теория струн, и в некоторых из этих теорий допускается, что гравитация может стать сильной уже при энергиях, достижимых в БАК, и в таком случае эти эксперименты могут привести к рождению черных дыр.

Тут сбылись мечты рекламщиков ЦЕРН, ведь это породило безумную идею, что мы можем воссоздать черную дыру, которая уничтожит планету. Плохой рекламы не бывает. Когда мы запускали БАК, по оценкам, миллиард человек смотрели ТВ (это было еще в те дни, когда люди смотрели ТВ), ожидая увидеть, что мы все будем уничтожены. Конечно, с нами ничего не случилось, поскольку эти черные дыры будут распадаться, как только появятся, но это заставило людей думать о фундаментальной физике. Мы ищем черные дыры, но пока ни одной не нашли. Лично я думаю, что будет здорово, если мы найдем несколько штук при перезапуске БАК в будущем году, потому что это открыло бы увлекательное окно в квантовую гравитацию.

Я хочу провести оставшуюся пару минут в обсуждении возможного будущего вселенной, и для этого мне потребуется устроить здесь мою экспериментальную установку. Это стакан воды, и я предлагаю вам думать, что вселенная сейчас здесь, в стакане, как и вода. Это нормальное состояние бозона Хиггса: электроны имеют массу, слабые взаимодействия слабы и т. д. Снаружи стакана то, что мы называем Большим сжатием, которое привело бы к концу нашей вселенной. Это нечто вроде Большого взрыва, только наоборот. Согласно квантовой механике, все на свете колеблется, как сейчас, когда я покачиваю этот стакан воды, и вода колеблется и даже может просочиться сквозь стенки. Но если я не буду болтать стакан слишком сильно, вода не просочится сквозь стекло. Согласно квантовой механике она может сделать это, но это займет невероятно долгое время.

Вопрос в том, насколько быстро космическая вода может просочиться через космическое стекло. В текущей ситуации это, скорее всего, займет очень много времени, но в ранней вселенной вода тряслась куда сильнее, и в этом случае вселенная могла расплескать космическую воду, и тогда нас бы здесь не было, потому что мы были бы снаружи, в том, что мы называем Большим сжатием. Можно решить эту проблему, постулировав новую физику, но для стандартной модели это потенциальная катастрофа.

Как избежать этого Большого сжатия? Можно не слишком трясти воду, но наблюдения фонового микроволнового излучения показывают, что было время, когда она болталась сильно. Или можно добиться, чтобы обод мексиканской шляпы не загибался вниз. Или можно представить некую странную новую физику, которая будет означать, что Большое сжатие никогда не случится. На данный момент мы не знаем, что из перечисленного происходит на самом деле.

Что мы действительно знаем, так это то, что если верить нынешним измерениям частицы Хиггса и t-кварка, получается, что мы находимся в том нестабильном режиме, когда вода может выплеснуться наружу в любой момент времени в течение ближайших 10¹⁰⁰ лет (для физика это момент) или около того. И это еще одна причина, по которой я думаю, что физика за пределами стандартной модели должна существовать, что мотивирует нас к поиску новых идей и частиц после перезапуска Большого адронного коллайдера.

Надеюсь, я убедил вас, что Большой адронный коллайдер не только самый мощный в мире микроскоп для изучения того, что происходит в самых глубинах вещества. В некотором смысле это еще и невероятно мощный телескоп, способный заглянуть в далекое прошлое, в те времена, когда вселенная была еще очень, очень молода и, в отличие от телескопов, смотрела далеко в будущее.

Я хочу поговорить о вселенной как о голограмме. Предполагаю, вы знаете, что голограмма – это представление трехмерного объекта на двумерной поверхности, такой как фотографическая пластинка. Меня предположительно изобразили голограммой в раннем эпизоде сериала «Звездный Путь: Новое Поколение». Я говорю «предположительно», потому что, хотя я и казался трехмерным на экранах звездолета «Энтерпрайз», телевизионные экраны того времени не были способны – и все еще неспособны – воспроизводить трехмерные голографические изображения. Это будет следующей технологической революцией. В том эпизоде я играл в покер с Исааком Ньютоном, Альбертом Эйнштейном и командующим Дейта. Посмотрим, что случилось. Из-за «красной угрозы» я не мог снять свой выигрыш в 140 федеральных кредитов. Я обратился в студию Paramount, но они не знали обменного курса.

Возвращаясь к вселенной. Ее история – это история трехмерного объекта, развивающегося во времени, так что он существует в четырех измерениях. Следовательно, он может быть представлен как голограмма на трехмерной поверхности. Можно подумать, что это должна быть поверхность с двумя пространственными измерениями и одним временным. Некоторое время назад я предложил, чтобы время трактовалось так же, как и направления в пространстве. Это можно сделать, введя мнимую временную координату, тау = i t.

Это называется Эвклидовым подходом, потому что при этом метрика пространства-времени становится положительной и определенной, как и метрика Эвклидова пространства. Сначала такой подход встретил массированное сопротивление, но сейчас это принимается как лучший метод понимания квантовой гравитации. Если время ведет себя как еще одно направление в пространстве, то четырехмерная история вселенной до настоящего времени – это четырехмерный диск радиусом, равным возрасту вселенной. История вселенной может быть представлена в виде голограммы на краях этого диска, которые в настоящее время представляют собой трехмерную поверхность. Другими словами, история вселенной закодирована в настоящем времени, что, может быть, и не так удивительно.

В начале 1960-х шли большие дебаты касательно того, имела ли вселенная начало конечное время тому назад. Если да, то появлялся очевидный вопрос – а что было до появления вселенной? Как шутка. Альтернативная теория гласила, что вселенная существовала всегда, как верил Аристотель, поскольку нечто вечное более совершенно и поскольку это позволяло избежать неловких вопросов про творение.

Чтобы избежать начала вселенной, на котором ломалась физика, Хойл, Бонди и Голд предложили теорию устойчивого состояния. Согласно этой теории, вселенная существовала всегда, а чтобы ее плотность не менялась, вещество постоянно создается, по мере того, как она расширяется. Теория устойчивого состояния никогда не дружила с наблюдениями, но последний гвоздь в крышку ее гроба вбило обнаружение слабого микроволнового фона. Эти микроволны такие же, что в вашей микроволновой печи, но намного менее мощные. Они нагреют вашу пиццу только до –271,3 °C, и этого не хватит даже чтобы разморозить ее, не говоря уже о том, чтобы приготовить.

Между тем вы можете сами наблюдать эти микроволны. Включите аналоговый телевизор на пустой канал. Некоторый процент «снега» на экране будет вызван как раз этими фоновыми микроволнами. Теория устойчивого состояния никак не могла объяснить такой фон. Единственная разумная интерпретация состоит в том, что это излучение, оставшееся от раннего, очень горячего и плотного состояния вселенной. По мере расширения вселенной, это излучение остывало, пока не превратилось в слабый фон, который мы наблюдаем сейчас.

В теории устойчивого состояния было поле отрицательной энергии, что противоречит физике частиц, потому что это привело бы к безостановочному производству пар частиц с положительной и отрицательной энергией. Предполагая, что все поля имеют положительную плотность энергии, Роджер Пенроуз и я доказали, что если классическая общая теория относительности верна и имеют место определенные физически разумные условия, вселенная должна была начаться с сингулярности.

Сингулярность – это место, где уравнения поля классической общей теории относительности не могут быть определены. То есть, классическая общая теория относительности не может предсказать, как должна была начаться вселенная. Это был вывод, который порадовал папу Иоанна Павла II.

На конференции по космологии в Ватикане папа сказал делегатам, что можно изучать вселенную после ее начала, но в само начало исследовать не надо, потому что это момент творения и действие Бога. Я был рад, что он не знал о моем докладе на конференции с предположениями о том, как началась вселенная. Меня не привлекала судьба Галилея, переданного в руки инквизиции.

Многие современные космологи похожи на папу Иоанна Павла II. Они счастливы приложить законы физики к вселенной после ее начала, но про само начало они высказываются очень туманно. Но пока не сказано о том, что случается в начале вселенной, космология не имеет предсказательной силы. Все, что она может сказать, это что сейчас все такое как есть потому, что оно было таким, как было вскоре после начала.

Хотя классическая общая теория относительности предсказывает, что начало вселенной было сингулярностью, где сама эта теория оказывается неприменимой, мы знаем, что полная теория должна быть квантовой, как и теории других физических полей. Хотя у нас пока нет полной теории квантовой гравитации, верной для всех масштабов, у нас есть приближение, пригодное для практических целей. Оно основано на идее Ричарда Фейнмана о сумме по историям (или траекториям). Фейнман был колоритным персонажем, который играл на бонгах в стрип-баре в Пасадене и был блестящим физиком в Калтехе. Он предложил, что система переходит из состояния А в состояние Б каждым возможным путем или историей. Будет история, в которой Луна сделана из сыра, но ее амплитуда мала, и это плохая новость для мышей.

Каждый путь или история имеет определенную амплитуду или интенсивность, определяемую экспонентой от iS, где S – действие этой истории, а амплитуда системы, следующей из А в Б, определяется сложением амплитуд для каждого пути. Поскольку я использую Эвклидов подход, где время мнимо, экспонента от iS будет заменена экспонентой от – S. Обычно доминирующие вклады в суммарную амплитуду вносят истории, близкие к той, которая удовлетворяет классическим уравнениям поля. Тогда эти доминирующие вклады будут пропорциональны экспоненте от —S, где S – действие решения классических уравнений поля.

В случае с вселенной, ее состояние определяется волновой функцией или амплитудой для каждой геометрии поверхности, соответствующей фиксированному моменту времени, и материальными полями на этой поверхности. Для простоты я рассмотрю во вселенной поверхности постоянного времени, представляющие собой круглые 3-сферы радиуса b, а вещество представлю как одно поле φ, имеющее величину χ на поверхности постоянного времени. Волновая функция вселенной, ψ, тогда будет функцией b и χ. Волновая функция вселенной при заданном радиусе и поле вещества определяются сложением амплитуд всех историй, заканчивающихся этим состоянием. Но как начинались эти истории? Это вопрос о начале вселенной, просто он задан в другой форме. Необходим ли творец, чтобы определить, как началась вселенная? Или же изначальное состояние вселенной определяется законами науки?

Чтобы ответить, как начались истории вселенной, мы с Джимом Хартлом предложили, как мы это назвали, гипотезу об отсутствии границ. Она говорит, что Эвклидово пространство-время несингулярно везде, даже в начале. Это как поверхность Земли, только с еще двумя измерениями.

Проблема того, что случается в начале времени, немного похожа на вопрос о том, что случается на краю света, который люди задавали, когда думали, что мир плоский. Мир плоский, как тарелка, и море переливается через край? Я проверил это экспериментально. Я поездил по миру и с края не свалился.

Как мы все знаем, вопрос о том, что происходит на краю света, был решен, когда люди поняли, что мир не плоская тарелка, а искривленная поверхность. Можно представить, что поверхность Земли начинается в точке на Южном полюсе. По мере продвижения к северу размер кругов широты увеличивается. В соответствии с гипотезой об отсутствии границ евклидова история вселенной выглядит примерно так же. При возрастании мнимого времени три сферы постоянного мнимого времени становятся больше. Спрашивать, что было до начала вселенной, будет бессмысленно, потому что нет ничего южнее Южного полюса. Мнимое время, измеренное в градусах широты, будет начинаться на Южном полюсе, но Южный полюс мало чем отличается от любой другой точки; по крайней мере, мне так говорили. Сам я бывал в Антарктике, но не на Южном полюсе.

На Южном полюсе действуют те же законы природы, что и в других местах. Это убирает древнее возражение против того, чтобы вселенная имела начало, где обычные законы не работают. Начало вселенной управляется законами науки.

Действие S истории состоит из двух частей. Первая определяется формой истории, другими словами, ее гравитационной энергией. Вторая – полем вещества, φ. Вклад поля вещества будет включать потенциал V – плотность энергии, которую имело бы поле вещества, если бы оно было постоянно. Для простоты я приму, что поле вещества – это скалярное поле массы, m.

Продолжая аналогию с поверхностью Земли, истории, которые удовлетворяют классическим уравнениям поля, будут определяться φ0, величиной поля вещества на Южном полюсе. Можно нарисовать радиус b 3-сферы постоянного времени и поле вещества φ как функцию мнимого времени π в отдалении от Южного полюса. Для действительных значений мнимого времени π истории будут отрицательно искривлены, как анти-деСиттеровское пространство. Существует расширяющаяся вселенная, дуальная к этому отрицательно искривленному пространству, получаемая при мнимом значении радиуса вселенной. Согласно гипотезе об отсутствии границ, это соответствует созданию реального пространства-времени из ничего.

Если φ0, величина поля вещества на Южном полюсе, была очень велика, ранняя вселенная должна была пройти через период так называемой «вечной инфляции», за который ее размеры увеличились очень сильно, так, как растут цены. Квантовые флуктуации поля φ будут противодействовать тенденции к его уменьшению. Со временем флуктуации φ сократятся до уровня ниже порога вечной инфляции и вселенная переключится в состояние, называемое вялотекущей инфляцией, при которой она расширяется почти экспоненциально.

Мировой рекорд инфляции был установлен в Германии после Первой мировой войны. За 18 месяцев цены выросли в 10 миллионов раз. Но это была ерунда по сравнению с инфляцией в ранней вселенной. Вселенная расширилась в миллион триллионов триллионов раз за мельчайшую долю секунды. В отличие от инфляции цен, инфляция в ранней вселенной была очень хорошей вещью. Она создала очень большую и равномерную вселенную, которую мы и наблюдаем сейчас.

В период инфляции поле вещества φ медленно меняется, уменьшая свой потенциал V. Можно представить это поле как медленно катящееся с холма, и это называется вялотекущей инфляцией. В этом случае скорость расширения вселенной H почти постоянна, но медленно снижается. Инфляция заканчивается, когда поле φ подходит к минимуму потенциала и начинает осциллировать вокруг него. Тогда энергия поля φ конвертируется в горячую плазму других частиц, и вселенная, как говорится, разогревается.

С другой стороны, если величина φ0 невелика, вселенная не станет расширяться, но за крошечную долю секунды сколлапсирует в сингулярность. Квантовая гравитация предрекает множество возможных историй и множество возможных состояний в последующее время – то есть во время вроде нашего, много позже их сотворения. Многие из этих состояний сильно непохожи на вселенную, которую мы наблюдаем, и совсем непригодны для существования любых форм жизни. Лишь немногие позволяют существовать существам вроде нас. Таким образом, мы выхватываем из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с нашим существованием. Хотя мы ничтожны и незначительны по космическим масштабам, это делает нас своего рода хозяевами творения.

Недавние измерения поля Хиггса говорят о высокой вероятности того, что оно не может находиться в нижнем энергетическом состоянии. В таком случае это поле находится в состоянии ложного вакуума. Оно может распасться до истинного вакуума за счет формирования пузыря истинного вакуума квантовыми флуктуациями. Этот пузырь будет расширяться со скоростью света. Мы не увидим его приближения. Но если он достигнет нас, мы будем уничтожены. К счастью, вероятное время жизни ложного вакуума больше возраста вселенной.

Хотя инфляция производит вселенную, которая почти одинакова везде и по всем направлениям, будут и локальные неоднородности, произведенные квантовыми флуктуациями. Возмущения гомогенной и изотропной вселенной бывают двух видов. Есть скалярные возмущения, которые соответствуют колебаниям плотности и скорости расширения, и тензорные возмущения, которые соответствуют гравитационным волнам.

Оба вида возмущений имеют общую причину. В основе у них тот же механизм, что и у так называемого излучения Хокинга, исходящего от горизонтов черных дыр, которое я предсказывал некоторое время назад, – только в этом случае оно идет от космологического горизонта, за которым события не наблюдаются, сколько ни жди. Излучение из-за космологического горизонта имеет температуру H/2π, где H – скорость расширения вселенной.

Хотя флуктуации плотности и гравитационные волны имеют общее происхождение как тепловые флуктуации в очень ранней вселенной, есть важная разница. Скалярные возмущения плотности вызваны квантовыми флуктуациями в поле вещества φ, которые будут сдвигать поверхности постоянных φ с тех мест, где они должны были бы быть. В то же время гравитационные волны не зависят от φ, но появляются непосредственно как флуктуации в расширяющейся вселенной, с температурой H/2π.

Следовательно, тензорные возмущения в этом случае будут слабее скалярных на коэффициент r = 1, деленное на парциальное V и на парциальное φ. Эти скалярные возмущения впервые были рассчитаны во время рабочего совещания, которое я проводил в Кембридже в 1982 году.

Это было за 10 лет до того, как в 1993-м флуктуации микроволнового фона неба были обнаружены спутником СОВЕ, так что теория сильно обгоняла эксперимент.

Космология стала количественной наукой еще 10 лет спустя, в 2003 году, с первыми результатами спутника WMAP, которые подтвердили предсказанную, почти масштабно-инвариантную спектральную зависимость скалярных возмущений. WMAP составил прекрасную карту температуры микроволнового неба, снимок вселенной возрастом примерно в триста тысяч раз меньше нынешнего. Неоднородности, которые видны на этой карте, предсказаны теорией инфляции, и они означают, что некоторые участки вселенной имели плотность немного выше других. Гравитационное притяжение за счет дополнительной плотности замедляло расширение этого участка неба и могло со временем привести к его сжатию, сопровождаемому формированием галактик и звезд. Так что внимательно смотрите на карту микроволнового неба. Это чертеж для всей структуры вселенной. Мы – продукт квантовых флуктуаций в очень ранней вселенной. Бог и в самом деле играет в кости.

На смену WMAP пришел спутник Planck. С картой вселенной, снятой с намного более высоким разрешением. Анализ данных Planck показал замечательное совпадение с предсказаниями простейших моделей инфляции. Зеленые области на рисунке (см. с. 1 вклейки) – подгоночная функция, хорошо описывающая красные области, которые показывают измеренную с помощью Planck мощность флуктуаций температуры на различных угловых масштабах. Все эти данные показывали, что скалярных возмущений достаточно и нет необходимости искать тензорные. Planck только установил верхний предел на отношения тензорных возмущений к скалярным на уровне 11 %.

Все поменялось в марте 2014-го благодаря измерениям группы BICEP, использовавшей радиотелескоп на Южном полюсе. После моего визита в Антарктику я могу только восхищаться преданностью науке со стороны этой группы, работающей практически в нигде. Группа BICEP заявила, что тензорно-скалярное соотношение составляет 20 % – намного выше, чем кто-либо ожидал. Это очевидное открытие гравитационных волн попало на первые страницы газет, но затем результаты BICEP были поставлены под сомнение.

Если все же результаты BICEP правильны, это было бы дальнейшим подтверждением того, что инфляция в самом деле происходила. Это также означало бы, что инфляция происходила в очень высокоэнергичном диапазоне, близком к диапазону, измеренному Planck. Это были бы плохие новости для многих моделей инфляции, а моделей этих очень, очень много. Наблюдения, выполненные с помощью Planck, позволили исключить несколько из таких моделей, но если бы результаты BICEP оказались верными, нам потребовался бы целый мусоровоз. Возможно, 90 % моделей были бы исключены. При настолько высокой энергетической шкале инфляции нам потребовалось бы более глубокое понимание того, откуда появляется инфляция из планковской энергии. Это технический вызов, но новые данные могли дать нам важные ключи к теории квантовой гравитации.

Для обнаружения тензорных возмущений BICEP измеряет поляризацию микроволнового фона, к которой Planck не столь чувствителен. Однако измерения Planck могут помочь отличить истинные сигналы от случайных и отделить микроволновый фон, создаваемый близкими объектами, от первичного излучения, чтобы проверить, являются ли результаты BICEP достоверными и надежными[5]. Хорошая новость в том, что следующие эксперименты по измерению поляризации микроволнового фона не за горами, так что нам не придется долго ждать новых данных.

Лично у меня заключено пари с Нилом Туроком, директором канадского Института теоретический физики «Периметр», что отношение тензорных возмущений к скалярным составляет по меньшей мере 5 %. Если это подтвердится будущими наблюдениями, это будет означать, что слова «квантовая гравитация» записаны поперек всего неба как голограмма истории вселенной, которая свидетельствует об энергиях намного более высоких, чем может дать любой ускоритель. И что еще лучше – я выиграю 200 канадских долларов!

Говорят, что порой факты бывают более странными, чем любые фантазии, и черные дыры – самый яркий тому пример. Черные дыры более странные, чем все, придуманное писателями-фантастами, но они – твердый научный факт. Впрочем, когда черные дыры были открыты, научная фантастика не заставила себя долго ждать. Я помню, как в 1970-е годы пошел на премьеру фильма «Черная дыра» Уолта Диснея. Фильм был о космическом корабле, который отправили исследовать недавно открытую черную дыру.

Это был не очень хороший фильм, но у него был интересный конец. После облета черной дыры один из ученых решает, что единственный способ узнать, что там, это отправиться внутрь. Он загружается в капсулу и отправляется в черную дыру. После изображенного сценаристом ада он попадает в новую вселенную. Это ранний пример использования научной фантастикой темы черной дыры как кротовой норы, коридора из одной вселенной в другую или назад в другое место в той же вселенной. Такие кротовые норы, если бы они существовали, обеспечивали бы короткий путь для межзвездных путешествий, которые иначе были бы медленными и скучными, если придерживаться ограничения скорости Эйнштейна и не превышать скорость света.

Позвольте мне вкратце объяснить, как может быть создана черная дыра. Представьте звезду с массой в десять раз больше массы Солнца. На протяжении большей части своей жизни в миллиард лет эта звезда будет выделять тепло в своем ядре, превращая водород в гелий. Выделяющаяся энергия будет обеспечивать достаточное давление для удержания звезды в равновесии в поле собственного тяготения, создавая объект радиусом примерно в пять радиусов Солнца. Скорость отрыва от поверхности такой звезды (вторая космическая скорость) будет примерно 1000 километров в секунду. Иначе говоря, объект, которым выстрелили с поверхности звезды со скоростью меньше 1000 км в секунду, будет притянут обратно гравитационным полем звезды и вернется на поверхность. Объект с большей скоростью оторвется и может уйти бесконечно далеко.

Когда звезда израсходует свое ядерное топливо, поддерживать давление станет нечему, и звезда начнет коллапсировать из-за собственной гравитации. По мере уменьшения размеров звезды гравитационное поле на поверхности будет становиться сильнее, и скорость отрыва будет увеличиваться. К тому времени, как ее радиус сократится до 30 км, скорость отрыва увеличится до 300 000 км в секунду, скорости света. После этого любой свет, исходящий от звезды, не сможет уйти от нее, но будет притянут гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности ничто не может двигаться быстрее света, так что если свет не может вырваться, то и ничто другое тоже не может.

Результатом будет черная дыра, участок пространства-времени, из которого нельзя вырваться. Граница черной дыры называется горизонтом событий. Она соответствует волновому фронту света, который не может уйти от звезды, но остается в пределах радиуса Шварцшильда: 2GM/c², где G – Ньютонова постоянная гравитации, M – масса звезды, и с – скорость света. Для звезды массой примерно в десять масс Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 30 км.

Сейчас существуют надежно зарегистрированные свидетельства существования черных дыр в двойных звездных системах, таких как источник рентгеновского излучения Лебедь Х-1. Рентгеновское излучение испускает вещество, проваливающееся в черную дыру. В центре нашей Галактики также находится сверхмассивная черная дыра массой в 4,3 миллиона Солнц. Считается, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства галактик.

Важные исследования в области черных дыр звездной массы были сделаны здесь, на Канарских островах. Например, первое наблюдательное свидетельство того, что взрывы сверхновых могут создавать черные дыры звездной массы, было получено здесь директором фестиваля Starmus Гариком Исраэляном и его командой[6].

По вселенной может быть рассыпано множество черных дыр гораздо меньшего размера, сформированных не за счет коллапса звезд, а за счет коллапса сильно сжатых зон в горячей плотной среде. Считается, что подобные зоны существовали вскоре после Большого взрыва, из которого появилась вселенная. Такие доисторические черные дыры особенно интересны для квантовых эффектов, про которые я расскажу ниже. Черная дыра массой в миллиард тонн, примерно как масса горы, будет иметь радиус 10^-13 сантиметров, то есть размер протона или нейтрона. Она может двигаться по орбите вокруг Солнца или вокруг центра нашей Галактики.

Свет на самом деле не состоит из частиц, похожих на пушечные ядра, которые могли бы быть замедлены гравитацией и снова упасть на звезду. Знаменитый эксперимент, проведенный двумя американцами, Майкельсоном и Морли, показал, что вне зависимости от его источника, свет всегда распространяется со скоростью 186 миль в секунду. Как же тогда гравитация может замедлить свет и заставить его вернуться?

Это было невозможно, согласно принятым во времена Майкельсона и Морли представлениям о пространстве и времени. Но в 1915 году Эйнштейн выдвинул свою революционную общую теорию относительности. В ней пространство и время уже не были отдельными и независимыми друг от друга. Вместо этого они были только разными направлениями в едином объекте, пространстве-времени. Пространство-время Эйнштейна было не плоским, а искривленным из-за присутствия в нем вещества и энергии.

Чтобы понять это, представьте лист толстой резины, на который поместили груз, соответствующий звезде. Груз продавит резину и сделает лист вокруг звезды искривленным, а не плоским. Если теперь по этому листу катать стеклянные шарики, они будут двигаться по кривой, а не прямой траектории.

В 1919 году британская экспедиция в Западной Африке наблюдала свет далеких звезд, расположенных вблизи от диска Солнца, во время солнечного затмения. Исследователи заметили, что изображения этих звезд несколько сдвинуты относительно их обычных позиций. Это показывало, что путь света от этих звезд был изогнут пространством-временем, искривленным вблизи от Солнца. Общая теория относительности была подтверждена.

Теперь представьте, что на резиновый лист помещают все большие и большие и все более и более концентрированные грузы. Они будут продавливать лист все сильнее. В конечном итоге, при некотором критическом весе и размере они продавят в листе бездонную дыру, в которую частицы могут попадать, но выйти обратно ничто не может.

То, что происходит в пространстве-времени согласно общей теории относительности, весьма похоже. Звезда будет искривлять и искажать пространство-время вокруг себя тем больше, чем она массивнее и компактнее. Если массивная звезда, которая сожгла свое ядерное топливо, остынет и сожмется меньше критического размера, она совершенно буквально образует бездонную дыру в пространстве-времени, из которой не может вырваться свет. Название «черная дыра» было дано таким объектам американским физиком Джоном Уилером, который одним из первых понял их значение и фундаментальность вопросов, которые они поднимают. Название прижилось быстро. Оно намекало на нечто темное и загадочное. Но французы, будучи французами, увидели и более рискованное значение. Годами они сопротивлялись термину trou noir, заявляя, что он непристоен. Но это было как противостоять le weekend и прочим Franglais[7]. В конце концов им пришлось сдаться. Кто может сопротивляться такому выигрышному названию?

Находясь снаружи, невозможно сказать, что находится внутри черной дыры. Можно бросать туда телевизоры, кольца с брильянтами, даже своих худших врагов, черная дыра запомнит только общую массу и вращательный момент. Джон Уилер описывал это как то, что «у черной дыры нет волос». С точки зрения французов, это только подтверждало их опасения.

Черная дыра имеет границу, называемую горизонт событий. Это там, где гравитация еще достаточно сильна, чтобы притянуть свет обратно и не дать ему ускользнуть. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, все остальное тоже будет притянуто. Провалиться сквозь горизонт событий – это примерно как поплыть через Ниагарский водопад на каноэ. Если вы находитесь выше водопада, вы можете выбраться, если будете грести достаточно быстро, но если вы перевалили через край, вы пропали. Обратной дороги нет. Чем ближе к обрыву, тем быстрее течение. Это значит, что за нос каноэ оно тянет сильнее, чем за корму. Есть опасность, что каноэ будет разорвано на части.

То же самое с черными дырами. Если вы падаете в черную дыру ногами вперед, гравитация будет тянуть ваши ноги сильнее, чем голову, потому что они ближе к черной дыре. В результате вы будете вытянуты в длину и сдавлены с боков. Если у черной дыры масса в несколько масс Солнца, вас разорвет и превратит в спагетти прежде, чем вы достигнете горизонта. Однако если вы упадете в гораздо большую черную дыру, с массой в миллион масс Солнца, вы без труда достигнете горизонта. Так что если хотите исследовать черные дыры, выбирайте дыру побольше. Черная дыра с массой около 4 миллионов масс Солнца находится в центре нашей галактики Млечный Путь.

Хотя проваливаясь в черную дыру, вы сами ничего особенного не заметите, наблюдающий вас со стороны никогда не увидит, как вы пересекаете горизонт событий. Вместо этого ему покажется, что вы замедлились и висите на краю. Вы будете становиться тусклее и тусклее, краснее и краснее, пока не исчезнете из виду. Для мира снаружи вы исчезнете навсегда.

Первый намек на то, что может существовать связь между черными дырами и термодинамикой, появился с одним математическим открытием в 1970 году. Поверхность горизонта событий, границы черной дыры, имеет то свойство, что она всегда увеличивается, когда дополнительное вещество или излучение попадает в черную дыру. Более того, если две черные дыры столкнутся и сольются в одну, площадь горизонта событий вокруг результирующей черной дыры будет больше суммы площадей горизонтов событий вокруг исходных черных дыр. Эти свойства указывают на то, что между площадью горизонта событий и концепцией энтропии в термодинамике есть определенное сходство. Энтропия может рассматриваться как мера хаоса в системе или, эквивалентно, мера отсутствия информации о ее точном состоянии. Знаменитый второй закон термодинамики говорит, что энтропия всегда увеличивается со временем.

Аналогия между свойствами черных дыр и законами термодинамики была расширена Джеймсом Бардиным из Вашингтонского университета, Брэндоном Картером, который сейчас работает в Медонской обсерватории в Париже, и мной. Первый закон термодинамики гласит, что небольшое изменение энтропии системы сопровождается пропорциональным изменением энергии системы. Коэффициент этой пропорциональности называется температурой системы.

Бардин, Картер и я нашли похожий закон, связывающий изменение массы черной дыры с изменением площади горизонта событий. Здесь коэффициент пропорциональности включает величину, называемую поверхностной гравитацией, которая соответствует силе гравитационного поля на горизонте событий. Если принять, что площадь горизонта событий аналогична энтропии, тогда окажется, что поверхностная гравитация аналогична температуре. Сходство усиливается тем фактом, что поверхностная гравитация оказывается одной и той же во всех точках горизонта событий, так же, как и температура одинакова в любой точке тела, находящегося в состоянии теплового равновесия.

Хотя есть очевидное сходство между энтропией и площадью горизонта событий, для нас было не очевидно, каким образом площадь может быть понята как энтропия черной дыры. Что будет обозначать энтропия черной дыры? Ключевое предположение было сделано в 1972 году Якобом Бекенштейном, который тогда был студентом-старшекурсником в Принстоне, а сейчас в работает в Еврейском университете Иерусалима.

Суть в следующем. Когда в результате гравитационного коллапса возникает черная дыра, она быстро приходит в стационарное состояние, которое характеризуется только тремя параметрами – массой, угловым моментом и электрическим зарядом. Кроме этих трех свойств, черная дыра не сохраняет никаких качеств коллапсировавшего объекта. Этот вывод, известный как теорема «у черной дыры нет волос», был доказан совместно Картером Вернером Исраэлем из университета Альберты, Дэвидом Робинсоном из Лондонского королевского колледжа и мной.

Теорема об отсутствии волос подразумевает, что в результате гравитационного коллапса огромный объем информации теряется. Например, финальное состояние черной дыры не зависит от того, состояло ли коллапсировавшее тело из вещества или антивещества, было ли оно сферическим или неправильной формы. Другими словами, черная дыра с заданной массой, угловым моментом и электрическим зарядом может быть сформирована коллапсом любой из многих конфигураций вещества. На самом деле, если не учитывать квантовые эффекты, количество вариантов может быть бесконечным, поскольку черная дыра может быть сформирована коллапсом облака из бесконечно большого количества частиц бесконечно малой массы.

Однако квантовомеханический принцип неопределенности говорит, что частица массой m ведет себя как волна длиной hm/c, где h – постоянная Планка, а с – скорость света. Чтобы облако частиц могло коллапсировать и сформировать черную дыру, оказывается необходимо, чтобы эта длина волны была меньше, чем размеры формируемой черной дыры. Отсюда получается, что число конфигураций, которые могут сформировать черную дыру с заданной массой, угловым моментом и электрическим зарядом, хоть и велико, но может быть конечным. Бекенштейн предложил, что логарифм этого числа может рассматриваться как энтропия черной дыры. Этот логарифм представляет собой меру информации, безвозвратно потерянной во время коллапса через горизонт событий при формировании черной дыры.

Очевидно, фатальная ошибка в предложении Бекенштейна была в том, что если черная дыра имеет конечную энтропию, которая пропорциональна площади горизонта событий, она также должна иметь конечную температуру, которая будет пропорциональна поверхностной гравитации. Из этого будет следовать, что черная дыра может находиться в равновесии с тепловым излучением при некоторой температуре, отличной от нуля. Однако же, согласно классическим представлениям, такое равновесие невозможно, поскольку черная дыра будет поглощать любое тепловое излучение, попадающее на нее, но по определению не сможет ничего излучать обратно.

Этот парадокс не был разрешен вплоть до начала 1974 года, когда я исследовал, каким будет поведение вещества в окрестности черной дыры, согласно квантовой механике. К моему глубокому удивлению, я обнаружил, что, кажется, черная дыра с постоянной скоростью излучает частицы. Как и все остальные, в то время я признавал аксиому, что черная дыра не может ничего излучать. Поэтому я приложил немало усилий к тому, чтобы избавиться от этого неудобного эффекта. Но он отказался исчезать и, в конце концов, мне пришлось признать его.

Окончательно в реальности этого физического процесса меня убедило то, что исходящие частицы имели строго тепловой спектр. Черная дыра создает и излучает частицы и излучение, как если бы она была обычным нагретым телом с температурой, пропорциональной поверхностной гравитации и обратно пропорциональной массе. Это делало предположение Бекенштейна о том, что черная дыра имеет конечную энтропию, вполне состоятельным, поскольку оно подразумевало, что черная дыра может находиться в тепловом равновесии при некой конечной температуре, отличной от нуля.

С того времени математическое свидетельство того, что черные дыры могут излучать тепловой спектр, было подтверждено рядом людей с разными подходами. Один из путей понимания этого излучения таков. Квантовая механика говорит, что все пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц, которые постоянно рождаются парами, расходятся, а затем снова соединяются и аннигилируют друг с другом.

Эти частицы называются виртуальными, потому что в отличие от реальных частиц они не могут быть непосредственно обнаружены детектором частиц. Тем не менее, косвенное воздействие таких частиц может быть измерено, и их существование подтверждается, в частности, небольшим сдвигом, который они производят в спектре света, излучаемого возбужденными атомами водорода (он называется лэмбовским сдвигом). Когда такая пара рождается в окрестности черной дыры, одна из частиц может упасть в черную дыру, оставив другую без партнера для аннигиляции. Позабытая частица (или античастица) может упасть в черную дыру вслед за своим партнером, но может оказаться и перед горизонтом и ускользнуть наружу, где она будет зарегистрирована как нечто, излученное черной дырой.

Еще один взгляд на этот процесс состоит в том, чтобы рассмотреть одну из пары частиц, проваливающуюся в черную дыру, допустим античастицу, как на частицу, выходящую из черной дыры, но следующую назад во времени. Когда такая частица достигает момента, в который пара частица-античастица родилась, она рассеивается гравитационным полем и далее следует во времени вперед.

Черная дыра с массой Солнца будет испускать частицы так медленно, что их будет невозможно обнаружить. Однако могут существовать черные минидыры много меньшего размера. Они могли образоваться в очень ранней вселенной, если она была хаотичной и неупорядоченной. Черная дыра массой с гору будет излучать рентгеновские лучи и гамма-лучи с мощностью около 10 миллионов мегаватт, которой достаточно для обеспечения энергетических потребностей всей Земли. Однако запрячь черную минидыру непросто. Ее нельзя хранить на электростанции, потому что она провалится сквозь пол и остановится только в центре Земли. Единственная возможность – держать такую черную дыру на орбите вокруг Земли.

Люди искали черные минидыры, но пока не нашли. Жаль, а то я получил бы Нобелевскую премию. С другой стороны, не исключено, что черные микродыры можно создавать в дополнительных измерениях пространства-времени.

Согласно некоторым теориям, вселенная, которую мы ощущаем, всего лишь четырехмерная поверхность в 10– или 11-мерном пространстве. Мы не увидим эти дополнительные измерения потому, что свет не распространяется через них, но только через четыре измерения нашей вселенной. Однако гравитация может влиять на дополнительные измерения и будет там намного сильнее, чем в нашей вселенной. Поэтому создавать черные дыры в других измерениях может быть намного проще. Возможно, это удастся наблюдать на БАК, Большом адронном коллайдере, который находится в ЦЕРН в Швейцарии. Он состоит из кругового туннеля длиной 27 км. Два пучка частиц следуют по этому туннелю в противоположных направлениях и сталкиваются. В некоторых из этих столкновений, возможно, родятся черные микродыры, излучение которых позволит ясно идентифицировать их. Так что, в конце концов, я могу и получить Нобелевскую премию.

По мере того как частицы покидают черную дыру, она будет терять массу и сокращаться. Это ускорит излучение частиц. Со временем черная дыра потеряет всю свою массу и исчезнет. Что тогда случится со всеми частицами и невезучими астронавтами, которые провалились в черную дыру? Они не могут просто появиться снова, когда черная дыра исчезнет. Частицы, которые исходят от черной дыры, совершенно случайны и не имеют никакого отношения к тому, что упало внутрь. Получается, что информация о том, что упало внутрь, потеряна, за исключением общей массы и момента вращения. Но если информация теряется, это поднимает серьезный вопрос, бьющий в сердце нашего понимания науки.

Более 200 лет мы верили в научный детерминизм – что законы науки определяют эволюцию вселенной. Это было сформулировано Лапласом как «если мы знаем состояние вселенной на какой-то момент, законы науки определят ее во все прошлые и будущие времена[8]». Говорят, Наполеон спросил Лапласа, как Бог вписывается в эту картину. Лаплас ответил – «Сир, я не нуждался в этой гипотезе». Я не думаю, что Лаплас утверждал, что Бога нет. Он просто не вмешивается в течение законов науки. Такой должна быть позиция каждого ученого. Закон науки – это не закон науки, если он действует, лишь пока какое-нибудь сверхъестественное существо не вмешивается и позволяет вещам идти своим чередом.

В детерминизме Лапласа было необходимо знать положение и скорость частиц в определенное время, чтобы предсказать будущее. Но, согласно соотношению неопределенности, чем точнее вы знаете положение, тем менее точно вы знаете скорость, и наоборот. Другими словами, вы не можете точно знать одновременно и положение, и скорость. Как же тогда точно предсказать будущее?

Ответ в том, что, хотя нельзя предсказать положения и скорости по отдельности, можно предсказать то, что называется квантовым состоянием. Это нечто, из чего можно вычислить и положения, и скорости с определенной степенью точности. Мы все же ожидаем, что вселенная детерминирована в том смысле, что если мы знаем квантовое состояние вселенной в определенный момент, законы науки позволят нам предсказать ее состояние в любой другой момент.

Если бы информация терялась в черных дырах, мы бы не могли предсказать будущее, потому что черная дыра могла бы испускать любой набор частиц. Она может испустить работающий телевизор или томик Шекспира в кожаном переплете, хотя шансы такого экзотического излучения очень малы. Скорее всего, это будет тепловое излучение, как свечение от нагретого докрасна металла. Может показаться, что не столь важно, что мы не можем предсказать, что выйдет из черной дыры. Вблизи нас нет черных дыр. Но это вопрос принципа.

Если детерминизм ломается в черных дырах, он может ломаться и в других ситуациях. Могли бы быть виртуальные черные дыры, которые появляются как флуктуации из вакуума, поглощают один набор частиц, испускают другой и снова пропадают в вакууме. Хуже того, если детерминизм ломается, мы не можем знать и своего прошлого. Учебники по истории и наша память могут быть лишь иллюзиями. Прошлое говорит нам, кто мы. Без него мы теряем свою идентичность.

Поэтому чрезвычайно важно было выяснить, в самом ли деле информация теряется в черных дырах, или ее в принципе можно восстановить. Многие ученые чувствовали, что информация не должна теряться, но никто не мог предложить механизм, как ее сохранить. Споры продолжались годами. В конце концов, я нашел то, что мне кажется ответом. Он зависит от идеи Ричарда Фейнмана, что есть не одна история, а множество возможных историй, каждая со своей вероятностью.

В этом случае есть два типа истории. В одном есть черная дыра, в которую могут попадать частицы, но в другом черной дыры нет. Дело в том, что снаружи нельзя быть уверенным, есть черная дыра или нет. Так что всегда есть шанс, что черной дыры нет. Этой возможности достаточно для сохранения информации, но информация не возвращается в удобном для прочтения виде. Это как сжечь энциклопедию. Информация не потеряна, если сохранить весь дым и пепел, но читать трудно. Кип Торн и я заключили пари с Джоном Прескиллом, что информация в черной дыре теряется. Когда я узнал, как информация может быть сохранена, я признал свой проигрыш. Я отдал Джону Прескиллу энциклопедию. Может быть, надо было отдать ему пепел от нее.

Что это говорит нам о том, возможно ли провалиться в черную дыру и оказаться в другой вселенной? Существование альтернативных историй с черными дырами говорит о том, что это в принципе возможно. Дыра должна быть большой, и если она вращается, в ней может быть проход в другую вселенную. Но вернуться в нашу вселенную невозможно. Так что, хотя я нацелен на полет в космос, пробовать такие вещи не стану.

Смысл моей лекции в том, что черные дыры не настолько черные, какими кажутся. Они – не вечные тюрьмы, как мы когда-то думали. Вещи могут выходить из черных дыр, и наружу и, возможно, в другую вселенную. Так что если чувствуете, что вы в черной дыре, не сдавайтесь. Выход есть.

После того как массивная звезда исчерпывает запас ядерного топлива, термоядерные реакции которого поддерживают ее температуру, внутреннее давление в ней начинает падать. Гравитация пересиливает это давление, и звезда все быстрее начинает сжиматься к центру. Она становится меньше и меньше, как бы взрываясь вовнутрь, а гравитация на ее уменьшающейся поверхности растет (повинуясь ньютоновскому закону обратных квадратов). В конечном счете, когда звезда сжимается до пары десятков километров, ее гравитационное притяжение становится настолько огромным, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Звезда создает вокруг себя черную дыру. Сама звезда внутри черной дыры продолжает сжиматься и разрушается сингулярностью бесконечной хаотической гравитации, что находится в центре черной дыры. Этот процесс недвусмысленно предсказан эйнштейновской общей теорией относительности.

В нашей галактике Млечный Путь миллионы черных дыр, во вселенной – триллионы, и каждая из них может опустошать окружающее космическое пространство.

Если взорвавшаяся вовнутрь звезда была частью двойной системы, то черная дыра унаследует звезду-компаньона. Гравитация черной дыры притягивает газ соседней звезды, и он закручивается по спирали, ведущей к дыре, создавая газовый диск, настолько горячий, что он генерирует не столько видимый свет, сколько рентгеновское излучение. Астрономы наблюдают множество таких дисков, закручивающихся вокруг тяжелых и темных объектов – очевидно, черных дыр.

В центре эллиптических и спиральных галактик, таких как Млечный Путь, каким-то образом сформировались сверхмассивные черные дыры – может, вследствие взрыва сверхмассивной звезды или слияния множества более мелких черных дыр. Эти гигантские дыры, массой от миллиона до десяти миллиардов Солнечных масс и размером со всю Солнечную систему, могут разрывать звезды на части, формируя вокруг себя горячие газовые диски из ошметков этих разорванных звезд. Магнитные поля, содержащиеся в таком диске, взаимодействуют с водоворотом искривленного пространства, который торчит из черной дыры (и об этом я расскажу позже), исторгая гигантские высокоэнергичные струи (джеты). Эти струи вырываются в межгалактическое пространство и иногда обладают большей светимостью, чем все звезды галактики вместе взятые! Астрономы наблюдали и изучали сотни таких джетов и окружающих их дисков, но увидеть находящуюся в центре дыру не могли, потому что она, собственно, черная. Она не излучает свет.

Из чего сделана черная дыра? Не из вещества, как я или вы, но из искривленного пространства и времени.

Давайте я объясню это по аналогии. Представьте себе детский батут – большую резиновую простыню, закрепленную на высоких стойках. Большой камень, положенный в центр такого батута, заставляет резину прогибаться, как показано на рисунке 1. А теперь представьте, что вы – муравей, слепой муравей. Резиновое полотно – ваша вселенная, и вы исследуете ее, измеряя ее форму. Вы измеряете длину окружности, содержащей расположенный в ее центре камень. Вы проходите по всей окружности, чтобы измерить ее, а затем принимаетесь за диаметр круга. Вы идете, и идете, и идете по диаметру. Вы обнаруживаете, что это очень большое расстояние – что диаметр, на самом деле, намного больше длины окружности. Будучи умным муравьем, вы заключаете, что пространство вашей вселенной искривлено. Его нельзя описать плоской геометрией Евклида, скорее, оно имеет геометрию искривленного резинового полотна.

Если бы мы в нашей вселенной могли сделать двумерный разрез по экватору черной дыры и измерить ее форму, мы обнаружили бы, что она очень похожа на прогнувшееся резиновое полотно из воображаемой муравьиной вселенной: диаметр больше длины окружности, как видно на рисунке 2. Пространство дыры изгибается вниз в некое многомерное «гиперпространство», которое не является частью нашей вселенной. И в центре, вместо тяжелого камня, находится так называемая сингулярность, где пространство искривлено бесконечно резко – зловещая сингулярность, которая разрушает любую материю, заплутавшую в ее окрестностях.

Рис. 1. а) Батут с камнем по центру и муравей, изучающий на ощупь его форму. b) Пространство вокруг черной дыры. Вид из гиперпространства с бóльшим числом измерений, не являющегося частью нашей вселенной.

Рис. 2. а) Я падаю в черную дыру, передавая вам на ходу микроволновые сигналы. b) Искривление времени и движение пространства вокруг черной дыры.

Посмотрите на рисунок 2а. Предположим, я падаю в черную дыру и передаю вам наружу микроволновые сигналы. Когда я достигну края черной дыры (он называется горизонтом), гравитационное поле вокруг меня станет настолько сильным, что мой сигнал больше не сможет его покинуть. Внутри горизонта сигналы будут вместе со мной затягиваться вниз, в сингулярность. Я плачу за открытие (что бы я ни увидел за горизонтом) страшную цену – я не могу опубликовать свои наблюдения. А еще я умираю, и вместе со мной – мои открытия.

Горизонт событий и его всеподавляющая гравитация на самом деле создаются экстремальным искривлением времени: вблизи горизонта скорость времени замедляется, его бег становится шагом, как показано на рисунке 2b. Если бы вы подлетели к горизонту черной дыры и провели рядом с ним несколько дней, а затем вернулись домой на Землю, вы бы обнаружили, что на Земле прошли миллионы лет. Вы состарились всего на несколько дней, но все ваши друзья и их внуки давно мертвы.

Согласно эйнштейновскому закону искажения времени «всё любит жить там, где старение проходит медленнее, и гравитация притягивает всё именно в такие места». На Земле время течет на четыре стомиллионных доли процента медленнее, чем в открытом космосе, и это (если верить Эйнштейну) достаточно, соответствует гравитации, которая всех нас здесь держит. Поскольку замедление времени становится огромным, когда человек приближается к горизонту черной дыры, это говорит о том, что гравитационное притяжение там тоже становится огромным. Ровно на горизонте время полностью останавливается, и притяжение там бесконечно.

Внутри горизонта время продолжает течь. Но, как ни странно, оно течет в «пространственном» направлении: вниз, к сингулярности в центре дыры. Вот почему нельзя покинуть черную дыру: чтобы это сделать, объект должен двигаться вверх, то есть путешествовать назад во времени, а это невозможно. Такое объяснение черноты черной дыры эквивалентно объяснению «бесконечного гравитационного притяжения». Обе эти модели завязаны на эйнштейновский закон искривления времени.

На рисунке 3 вы видите точную карту пространства-времени, закручивающегося вокруг быстро вращающейся черной дыры, предсказанную теорией относительности Эйнштейна. Форма этой двумерной поверхности отражает пространство черной дыры в экваториальной «плоскости» (вид из гиперпространства).

Градиентом обозначено замедление времени у горизонта событий. Горизонт обозначен черным внизу (конечно, если бы мы смотрели на трехмерную модель, это была бы сфера). Белые стрелки обозначают направление закручивания пространства-времени, вызванное вращением черной дыры.

Рис. 3. Карта искривленного пространства-времени у быстро вращающейся черной дыры.

Если две массивные звезды вращаются друг вокруг друга в двойной системе и обе звезды взрываются вовнутрь, образуя черные дыры, мы получаем черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга. По мере вращения они создают рябь в ткани пространства. Эта рябь распространяется наружу, в космос, как круги по воде от брошенного в воду камешка. Такая рябь называется гравитационными волнами. Эти волны расходятся по вселенной со скоростью света, неся детальное, хотя и закодированное изображение своего источника – двойной черной дыры. Гравитационные волны также переносят энергию.

Поскольку вращающиеся черные дыры теряют энергию, передавая ее гравитационным волнам, они постепенно сближаются, затем сталкиваются и сливаются, образуя одну большую черную дыру, как показано на рисунке 4. В момент столкновения черные дыры испускают невероятно сильные гравитационные волны. Светимость (мощность, излучаемая в единицу времени) таких волн в 10 000 раз больше, чем светимость всех звезд во вселенной вместе взятых. Светимость десяти тысяч вселенных, и ни лучика света! Только гравитационные волны.

Рис. 4. В представлении художника так выглядят две сходящиеся черные дыры: они сталкиваются и сливаются в одну.

Если черные дыры имеют небольшие массы, скажем, в 10 раз больше массы Солнца, то их столкновение и излучение огромных волн будет длиться совсем недолго: несколько миллисекунд. Если дыры сверхмассивные – например, от ядер двух галактик, которые тоже когда-то столкнулись и слились воедино, – столкновение и излучение волн длится дольше: несколько дней или даже год. Эти волны несут детальную, закодированную картину столкновения, картину, которую мы хотели бы извлечь и изучить. К этому я еще вернусь.

Торнадо (или водовороты, как угодно) скручивающегося пространства, прикрепленные к каждой черной дыре в двойной системе, ведут себя при столкновении совершенно поразительным образом. Чтобы объяснить этот процесс, стоит сначала точнее описать сами эти торнадо.

Рис. 5. Два человека над полюсами черной дыры.

Представьте себе двух человек, находящихся над полюсами черной дыры, как показано на рисунке 5. Ноги верхнего человека ближе к дыре, чем его голова, поэтому они затягиваются вихрем пространства дыры быстрее, чем его голова. В результате голова видит, как ноги скручиваются против часовой стрелки, а – заметьте! – ноги видят, как голову скручивает против часовой стрелки. Это как выжимать воду из мокрого полотенца: ваша левая рука видит правую, совершающую поворот против часовой стрелки, а ваша правая рука, глядя на левую, видит, что та вращается против часовой стрелки. В этом смысле пространство на северном полюсе дыры сворачивается против часовой стрелки.

Эти скручивания были недавно обнаружены при разборе уравнений Эйнштейна группой молодых ученых под моим руководством. Мы открыли, что это скручивание направляется (иными словами, контролируется) штуками, которые мы назвали «вихревыми линиями», одолжив это название из механики жидкости. Есть вихревые линии, движущиеся против часовой стрелки, собранные в единый вихрь, выходящий из северного полюса черной дыры (на рисунке показаны пунктиром) и вихревые линии, движущиеся по часовой стрелке, точно так же выходящие из южного полюса (на рисунке показаны сплошными линиями). Это похоже на схему магнитных линий, выходящих из полюсов Земли, но вместо того, чтобы поворачивать стрелку компаса, как это делают линии магнитного поля, вихревые линии контролируют само пространство, скручивая все на своем пути.

С помощью суперкомпьютера моя группа создала модель движения по спирали и столкновения двух вращающихся черных дыр. Оказалось, что когда дыры сталкиваются и сливаются, четыре вихря (по одному на каждый полюс каждой дыры) размещаются на горизонте событий новообразованной черной дыры. Сама эта черная дыра вращается, выплескивая эти четыре вихря наружу и в стороны, подобно струям воды из вращающегося дождевателя – это изображено на рисунке 6а. По мере продвижения в открытый космос эти вихри становятся гравитационными волнами.

Рис. 6. a) Четыре воронки вращающегося пространства показываются из получившейся в результате слияния вращающейся черной дыры. b) Вихревые кольца, выбрасываемые получившейся в результате слияния невращающейся черной дырой.

Если вместо того чтобы вместе двигаться по спирали бинарной орбиты, черные дыры сталкиваются «лоб в лоб», четыре прикрепленных в новообразованной дыре вихря не могут двинуться наружу, в космос. Каждый из вихрей мечется между движением по часовой и против часовой стрелки. Каждый раз при перемене направления черная дыра выбрасывает тороидальное вихревое кольцо, которое напоминает кольцо дыма (рис. 6b). По мере того как эти кольца двигаются наружу, они тоже становятся гравитационными волнами.

Мощность вихрей проиллюстрирована на следующем слайде, где показаны результаты компьютерной симуляции вращающейся черной дыры, разрывающей нейтронную звезду-компаньона. Звезда в 1,5 раза тяжелее Солнца, ее диаметр – 25 километров. Черная дыра в 4,5 раза тяжелее Солнца и вращается вокруг оси, отмеченной линией. Звезда и черная дыра первоначально вращаются друг вокруг друга в горизонтальной плоскости (рис. 7а). По мере обращения по орбите они теряют энергию (которая переходит в гравитационные волны) и, следовательно, движутся по спирали внутрь. Когда они приближаются друг к другу, гравитация черной дыры начинает разрывать звезду на части (b), и затем вихри выбрасывают разрушающуюся звезду вверх, в плоскость экватора дыры (перпендикулярно линии (c и d)). Представьте себе мощность, необходимую, чтобы выбросить 1,5 солнечной массы вещества, обладающего плотностью атомного ядра, вверх с горизонтальной плоскости в экваториальную плоскость дыры! Впечатляюще.

Рис. 7. Вращающаяся черная дыра разрывает нейтронную звезду, состоящую из ядерного вещества.

Согласно симуляции, которую в Корнеллском университете создал Мэтт Дайез, около 70 % вещества разрушенной звезды сразу поглощается черной дырой. Оставшиеся 30 % попадают в диск очень горячего газа, который испускает короткий всплеск нейтрино и гамма-излучения, а затем – яркий свет.

Скоординированные наблюдения за источниками гравитационных волн, нейтрино, гамма-излучения и света позволят многое узнать о черной дыре и ее вихрях, нейтронной звезде и ее ядерном веществе и о том, как все эти элементы ведут себя при масштабном столкновении. Затем (очень важная стадия) эти наблюдения необходимо будет сравнить с нашими компьютерными моделями. Мы называем такой захватывающий подход «многоканальной астрономией» и планируем работать в этом ключе с 2017 года.

Как можно обнаружить гравитационные волны и наладить наблюдение за ними? В каждой волне есть скручивающие пространство вихри, о которых мы говорили. Но по мере путешествия в межгалактическом пространстве вихри становятся настолько слабыми, что мы не можем засечь их с помощью доступных технологий.

К счастью, эти волны также растягивают и сжимают само пространство. Это растяжение и сжатие также довольно небольшое, но оно идеально подходит для обнаружения и мониторинга методом лазерной интерферометрии. В соответствии с этим, в 1983 году мы с коллегами Райнером Вайссом (из Массачусетского технологического института) и Роном Древером (из Калифорнийского технологического института) начали проект LIGO – лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории.

Концепция детекторов гравитационных волн LIGO схематически изображена на рисунке 8. Четыре зеркала (каждое весом в 40 кг) закреплены на подвесных опорах. Два зеркала ориентированы в одну сторону (скажем, по направлению восток – запад), а другие два ориентированы в перпендикулярном направлении (скажем, север – юг), и зеркала каждого рукава разнесены на 4 километра (которые обозначены на рисунке буквой L). Когда приходит гравитационная волна, она одновременно раздвигает зеркала восток – запад и сдвигает зеркала север – юг на одинаковое ничтожное расстояние: примерно 10^-17 см. По мере того как волна переходит от своего гребня к впадине, направление сжатия и растяжения пространства меняется, а затем меняется опять и так далее. Временные промежутки следуют некоторому шаблону (форме волны), который несет в себе закодированную информацию об источнике волны.

Рис. 8. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория

В обсерватории LIGO эти движения отслеживаются с помощью лазерного луча – лазерной метрологии сверхвысокой точности, а изображение источника гравитационной волны извлекается из наблюдаемой формы волны путем сравнения с компьютерными моделями.

Вайсс, которому принадлежит идея этого проекта, – гениальный ученый. Несколько лет я был настроен чрезвычайно скептически, я не думал, что это когда-либо сработает. Я был не прав. Но чтобы понять мой скептицизм, подумайте о том, насколько незначительны движения этих зеркал. Толщина человеческого волоса примерно 10^-2 см. Разделите эту цифру на 100 и вы получите длину волны света, используемую в LIGO – один микрон. Разделите это на 10 000 и получите диаметр атома – самую малую величину, когда-либо запечатленную микроскопом. Разделите это еще на 100 000 и получите диаметр ядра атома. А теперь разделите это еще на 1000 и получите движения, которые засекает LIGO: 10–17 сантиметра!

Расстояние настолько мало, что на этом уровне движения зеркал LIGO регулируются законами не классической, а скорее квантовой физики. Например, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что сам акт столь точного измерения местоположения зеркала весом 40 килограммов неизбежно нарушит его скорость на величину, различимую для LIGO. Мы никогда еще не видели, чтобы объект размером с человека вел себя квантово-механически. В LIGO мы собираемся сделать это в течение следующих нескольких лет, и для этого мы используем принципы нового раздела науки – квантовой теории информации. Я и мои студенты провели большую часть 1980-х годов, теоретически исследуя необходимую технологию, а в начале 2000-х, наконец, у нас появились первые практические разработки.

Проект LIGO сейчас приближается к зениту. В 1990-х годах мои коллеги-экспериментаторы под руководством Барри Бариша (из Калтеха) сконструировали оборудование для размещения наших детекторов гравитационных волн, а с 2000 по 2005 год они установили детекторы первого поколения и тщательно калибровали их, пока не достигли нужной чувствительности. С 2005 по 2010 год мы проводили первоначальный поиск космических гравитационных волн не только от сталкивающихся черных дыр, но и от других источников. Мы ничего не нашли, но это было ожидаемо.

Когда мы с коллегами представляли проект LIGO, мы предупреждали, что детекторы первого поколения могут быть недостаточно хороши, чтобы засечь волны. Тем не менее, их необходимо было сконструировать, получить опыт работы с ними для создания детекторов второго поколения (Advanced LIGO), которые намного сложнее технически и будут обладать куда большей чувствительностью – достаточной, чтобы увидеть богатое разнообразие гравитационных волн. Наша группа экспериментаторов начала установку Advanced LIGO в октябре 2010 года, и дело идет очень неплохо. К 2017 году, а возможно, и раньше, эти детекторы должны зарегистрировать много волн. Вкупе с аналогичными детекторами в Европе (проект Virgo французов, итальянцев и голландцев, проект Geo Project немцев и британцев) и другими астрономическими инструментами LIGO знаменует вступление в новую эру мультиканальной астрономии.

LIGO и другие подобные обсерватории смогут наблюдать черные дыры – при условии, что эти дыры легче тысячи солнц. Боле тяжелые черные дыры – сверхмассивные дыры в центрах галактик – создают гравитационные волны с куда большей диной волны (порядка расстояния между Землей и Луной или Землей и Солнцем) и гораздо более низкой частотой (один цикл за минуты, или часы, или большие промежутки времени). Такие волны мы планируем обнаруживать и наблюдать с помощью LIGO-подобного детектора в космосе: три независимых космических аппарата, оснащенных лазерными лучами. Европейское космическое агентство (ЕКА) планирует космическую миссию такого рода – она называется LISA (лазерная интерферометрическая космическая антенна) – первый пробный полет планируется в 2014 году. Американское космическое агентство NASA раньше было партнером ЕКА в LISA, но было вынуждено отказаться от участия в этой и в ряде других миссий из-за огромных перерасходов в проекте космического телескопа имени Джеймса Уэбба.

Для еще более тяжелых черных дыр, которые весят миллиарды, а не миллионы Солнц, необходим детектор третьего типа. Их волны имеют длину, намного превышающую по размерам Солнечную систему, и долгий цикл – от месяцев до лет. Такие огромные гравитационные волны можно искать с помощью LIGO-подобных детекторов, в которых одно из «зеркал» (на самом деле, просто движущаяся масса) – это наша Земля, а второе – нейтронная звезда – пульсар в далеком межзвездном пространстве. Радиотелескопы на Земле измеряют радиоимпульсы от десятков таких пульсаров, ища крошечные нарушения во времени прихода импульсов, вызванные гравитационными волнами. Эта международная коллаборация по исследованию радиопульсаров (International Pulsar Timing Array), вероятно, зарегистрирует первые гравитационные волны в течение следующих десяти лет, или пяти, если нам повезет[10].

Черные дыры состоят из искривленного пространства и времени – и это искривление демонстрирует множество интересных качеств и эффектов. Я рассказал вам лишь про один из них: вихри скручивающегося пространства, сталкивающиеся и генерирующие кольца или спирали гравитационных волн, летящих наружу из черных дыр. Из черных дыр также исходят так называемые тендекс-линии. Они интереснейшим образом растягивают и сжимают пространство и также участвуют в генерации гравитационных волн.

Численное моделирование – мощный инструмент для теоретических исследований этих вихрей и тендексов. Наблюдения гравитационных волн позволят сделать выводы об их природе и покажут нам все их богатое разнообразие и их влияние на вселенную. Эти инструменты – численное моделирование и детекторы гравитационных волн – открывают золотую эру в исследованиях черных дыр.

У нашей вселенной есть искривленная сторона. То есть объекты, полностью или частично состоящие из искривленного пространства-времени. Примерами служат черные дыры, сталкивающиеся черные дыры, сталкивающиеся нейтронные звезды, черная дыра, разрывающая нейтронную звезду, а также (в молодой вселенной) – сеть космических струн и сеть так называемых доменных стен.

Идеальным инструментом для наблюдения искривленной стороны вселенной является тот тип излучения, который сам состоит из искривленного пространства и времени: гравитационные волны; волны, которые растягивают и сжимают пространство и все, что находится в нем. То есть, все на свете.

Итак, 1,3 миллиарда лет назад многоклеточная жизнь на Земле еще только формировалась. Однако в далекой, далекой галактике две черные дыры уже излучали гравитационные волны, вращаясь по спирали друг вокруг друга, а затем столкнулись.

Из галактики, где они появились, волны вышли наружу, в межгалактическое пространство. Они летели миллиарды лет через космос и между галактиками, пока не достигли внешнего края Млечного Пути – 50 000 лет назад, когда наши предки делили Землю с неандертальцами. Затем, 14 сентября 2015 года эти волны достигли Земли. Они вошли в Землю около Антарктического полуострова, прошли наверх сквозь Землю, не потеряв своей силы, и появились на детекторе гравитационных волн LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, а семь миллисекунд спустя – на детекторе LIGO в Ханфорде, штат Вашингтон.

Они растянули и сжали плечи LIGO в повышающемся ритме, который передался лазерным лучам и был записан в компьютер как детальный отпечаток столкновения черных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. 11 февраля 2016 года, после пяти месяцев изучения и пережевывания данных, наша команда LIGO сообщила миру о первой встрече людей с гравитационной волной.

За следующие несколько лет, по мере роста чувствительности LIGO, мы, скорее всего, увидим сотни столкновений черных дыр, а также гравитационные волны от вращающихся нейтронных звезд, сталкивающихся нейтронных звезд, от черных дыр, разрывающих нейтронные звезды, и, возможно, взрывов сверхновых и космических струн в очень ранней вселенной. Кроме того, возможно, нас ждут очень большие сюрпризы.

И все это – только начало. LIGO регистрирует гравитационные волны, которые колеблются с миллисекундными периодами: волны в миллисекундном «гравитационном окне» вселенной. За следующие 20 лет откроются еще три гравитационных окна. Во-первых, волны с периодами от минут до часов будут наблюдаться расположенным в космосе европейским проектом LISA. Это три космических аппарата, которые следят друг за другом лазерными лучами. Во-вторых, волны с периодами в несколько лет, которые ускоряют или замедляют все часы на Земле, заставляя импульсы от группы радиопульсаров в небе синхронно замедляться и ускоряться. Наконец, первичные волны с периодом в миллиарды лет от Большого взрыва, которые можно косвенно наблюдать по воздействию на поляризацию космических микроволн. Эти четыре новых окна будут аналогичны окнам электромагнитной астрономии, где используется гамма-излучение, рентгеновское излучение, видимый свет и радиоволны, но они будут гравитационными, а не электромагнитными.

В нашем мультимедийном концерте мы показываем будущее астрономии гравитационных волн в музыке и изображениях: LISA будет наблюдать гравитационные волны от маленьких черных дыр на орбите вокруг гигантских черных дыр. Эти орбиты – очень сложные (рис. 1), так как вращение большой черной дыры затягивает пространство в круговое вращение, как воздух в торнадо. В итоге сами волны – тоже сложной формы. Но поразительно – эти сложные волны несут в себе информацию о полной карте искривленного пространства-времени большой дыры, и малая черная дыра получает всю эту информацию по мере обращения вокруг большой дыры.

Рис. 1. Орбита маленькой черной дыры вокруг черной дыры куда большего размера, быстро вращающейся. Модель Стива Драско.

Если смотреть из более высокого измерения (пятое измерение в «Интерстеллар»), пространство вокруг черной дыры должно иметь такую форму. Оно похоже на воронку или рупор (см. рис. 3 в предыдущей лекции). Черное кольцо внизу – это горизонт событий дыры. На самом деле это расплющенная сфера, которая выглядит как круг, потому что я убрал из этой картины одно пространственное измерение. Цвета показывают замедление времени возле горизонта, а белые стрелки показывают, как дыра затягивает пространство в спиральное движение, как воздух в торнадо.

Теперь представьте, что объект, вокруг которого движется маленькая черная дыра, может быть голой сингулярностью, объектом, сделанным из бесконечно искривленного пространства-времени. Такого может и не существовать, но если LISA обнаружит его, это будет потрясающе!

В этом случае (рис. 2) показанная орбита черной дыры, близкой к сингулярности, может быть крайне хаотичной, тогда как орбиты более удаленных черных дыр будут более правильными. Измеряя гравитационные волны от маленьких черных дыр, LISA может сконструировать карту искривленного пространства-времени сингулярности, карту, резко отличающуюся от той, что покажут маленькие дыры на орбитах вокруг гигантской черной дыры.

Рис. 2. Орбиты шести малых черных дыр вокруг массивной «голой» сингулярности Манько – Новикова. Модель Джендрю Бринка.

Возможно, LIGO вскоре сможет уловить и расшифровать гравитационные волны, которые образуются, когда черная дыра разрывает на части нейтронную звезду. Эти волны позволят нам узнать подробности строения звездного вещества, в десять раз более плотного, чем ядро атома, вещества более необычного, чем все, с чем до сих пор сталкивались люди. А проанализировав гравитационные данные совместно с данными оптических и рентгеновских наблюдений, мы узнаем еще больше.

Во время концерта мы видим сталкивающиеся черные дыры с нескольких точек зрения. Первая – это столкновение, каким его увидят человеческие глаза: черная дыра искажает свет далеких звезд за счет гравитационного линзирования.

Интереснее наблюдать то же столкновение из «пятого измерения» «Интерстеллар» (рис. 3). Перед столкновением (слева) каждая черная дыра сворачивает пространство в воронку, в центральных областях время замедляется, а стрелки указывают на затягивание пространства в движение. Столкновение (справа) превращает форму пространства, течение времени и движение пространства в бурный шторм. Мы даже видим часть внутреннего пространства сливающихся дыр (черная область в центре).

Во время такого шторма дыры выделяют гравитационные волны, мгновенная мощность которых оказывается в пятьдесят раз больше, чем мгновенная мощность свечения всех звезд во вселенной. Пятьдесят светимостей вселенной, которые выходят за долю секунды полностью в виде гравитационных волн. Без света, без радиоволн, без какого бы то ни было электромагнитного излучения. Это и в самом деле поразительно.

Рис. 3. Пространственно-временная геометрия сталкивающихся черных дыр, которые породили гравитационные волны, впервые зарегистрированные LIGO. Слева: до столкновения. Справа: во время столкновения. Модель – SXS Collaboration, визуализация – Гаральд Пфейфер.

Мы также наблюдаем горизонты событий черных дыр, их поверхности, их точки невозврата, откуда ничто не может вырваться. Когда дыры сталкиваются, их горизонты вытягиваются друг навстречу другу, сливаясь в один (рис. 4), под управлением законов механики черных дыр, сформулированных Стивеном Хокингом. Линии на горизонте изображают вращательное движение пространства в его окрестности. Кривые слева и снизу показывают предшествующее слиянию движение центров дыр; движение, на которое оказывает большое влияние закручивание пространства, происходящее из-за вращения большой дыры.

Рис. 4. Сливающиеся горизонты событий черных дыр – большой и малой – и их траектории по прошлым орбитам. Модель – SXS Collaboration, обработка данных – Энди Бон, визуализация – Карран Мульбергер.

Сверхновые – это самые яркие взрывы, видимые в оптический телескоп. Большинство из них случается, когда ядро тяжелой старой звезды коллапсирует и взрывается изнутри. Мы не до конца понимаем детали такого взрыва и не можем полностью описать механизм его запуска. Но внутренний взрыв производит гравитационные волны и нейтрино, совместный анализ которых поможет нам раскрыть секрет «центральной машины», ответственной за рождение и эволюцию сверхновой.

Когда коллапс и внутренний взрыв завершаются, запуская взрыв наружу, «центральная машина» превращается в нейтронную звезду.

Астрономы видят пары нейтронных звезд – старых нейтронных звезд, – которые постепенно сближаются по спирали и теряют энергию, излучая гравитационные волны. В конце концов они сталкиваются (рис. 3), производя финальный выброс гравитационных волн, доносящих нам подробные сведения об их движении, об искривленном пространстве-времени вокруг них, об их фантастических столкновениях и о ядерном веществе, из которого они состоят.

Но для меня самым увлекательным применением гравитационных волн будет изучение первой секунды жизни нашей вселенной. Гравитационные волны – единственный вид излучения, который может выйти неискаженным из этого сверхгорячего, сверхплотного периода – первой секунды вселенной – и принести нам детальную информацию и изображения рождения вселенной.

В самые ранние моменты вселенной некоторые из фундаментальных струн – строительных кирпичей всего вещества, согласно лучшим современным идеям физиков-теоретиков – могли претерпеть инфляцию космических масштабов, произведя плотную сеть космических струн.

Когда сеть струн вибрирует, и распутывается, и снова соединяется, она производит гравитационные волны, которые, может быть, удастся измерить при помощи LIGO или LISA или при помощи радиоинтерферометров, измеряющих время прихода импульсов от радиопульсаров. Если бы мы зарегистрировали такие волны, это было бы первым намеком на наблюдательное подтверждение теории струн.

В начале первой секунды жизни вселенной электромагнитная сила была объединена со слабым ядерным взаимодействием. Но когда вселенная расширилась и остыла, это объединение стремительно распалось, и родилась электромагнитная сила. Это могло случиться внутри пузырей (так называемый фазовый переход первого рода), и если так, такие пузыри расширялись и сталкивались друг с другом со скоростью света, производя гравитационные волны. За прошедшие с тех пор эпохи длина этих волн увеличилась, и теперь они идеально подходят для регистрации и изучения с помощью LISA, орбитального проекта Европейского космического агентства.

Эти описания дают представление о классах источников гравитационных волн и об исследованиях, которые в следующее десятилетие или два выйдут на авансцену благодаря гравитационным волнам.

Гравитационная астрономия сейчас находится в той же стадии развития, в какой находилась электромагнитная астрономия вскоре после того, как Галилей навел свой первый оптический телескоп на небо и обнаружил спутники Юпитера. В будущие века гравитационная астрономия расцветет, так же как электромагнитная астрономия расцвела за века, прошедшие после Галилея.

Мы уже кое-что знаем о наблюдаемой вселенной и ее нынешнем экспоненциальном расширении. Этот вид бесконечного расширения соответствует доработанной версии общей теории относительности Эйнштейна, которую он представил в 1917 году, и, чтобы соответствовать этой теории, вселенная должна будет бесконечно экспоненциально расширяться в отдаленное будущее (рис. 1). Вам придется привыкнуть к мысли, что мне нравится иллюстрировать свои слова на графиках пространства-времени. Вот изображение вселенной на графике пространстве-времени. Время изображено движущимся вверх. Мы можем рассматривать пространство в любой момент времени как горизонтальное сечение. Конечно, я не могу изобразить на картинке все три пространственных измерения. Нам придется привыкнуть к кривой сечения на картинке пространства-времени, где горизонтальная плоскость обозначает трехмерное пространство в конкретный момент времени.

Рис. 1. Большой взрыв.

Вас может заинтересовать, зачем все эти рюшечки сзади. Я нарисовал их, чтобы остаться нейтральным в вопросе о том, открыта вселенная пространственно или закрыта, для моего доклада сейчас это неважно. По мере того, как мы поднимаем горизонтальную плоскость вверх по картинке, сечения пространства-времени показывают пространство в текущий момент времени. Вы видите, как вселенная расширяется и расширяется, и это последующее ускоренное расширение вверху – вывод, сделанный из наблюдений Брайана Шмидта за сверхновыми и из наблюдений другой группы во главе с Солом Перлмуттером. Меня это вполне устраивает, потому что это ускоренное расширение – прямое предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которая содержит то, что называется космологической постоянной, величиной, обычно обозначаемой заглавной греческой буквой лямбда: Λ.

Эйнштейн ввел слагаемое Λ в 1917 году, но сделал это по причине, оказавшейся ошибочной (Эйнштейн в то время хотел получить решение в форме статической вселенной). Но он предложил идею Λ, и она описывает то, что космологи теперь называют «темной энергией» (на мой взгляд, это очень неудачный термин). Космологическая постоянная Эйнштейна обладает свойством экспоненциально расширять вселенную на поздних этапах ее эволюции, что соответствует тому типу экспоненциального расширения, который сейчас наблюдается.

Должен сказать, что есть один период в истории вселенной, на отсутствие которого на моем рисунке могут пожаловаться специалисты. Эта космическая инфляция, которая предположительно имела место на самых, самых начальных и очень кратких этапах существования вселенной и продолжалась до смешного короткую долю секунды. Причина, по которой я не показал ее на картинке, – на самом деле две причины, вторая в том, что я в нее не верю (как я поясню вскоре) – в том, что потребуется очень мощное увеличительное стекло, чтобы увидеть ее, поскольку весь этот процесс будет скрыт внутри маленькой черной точки, которой я обозначил Большой взрыв. Здесь мы видим экспоненциальное расширение, которое предположительно случилось в очень короткий отрезок времени существования вселенной – на так называемой инфляционной стадии, длившейся первую сто миллионную миллионную миллионную миллионную миллионную долю секунды (т. е. 10³² секунды) существования вселенной. Я должен обратить ваше внимание, что это был бы очень важный момент экспоненциального расширения в начальный период истории вселенной, и по своей форме он напоминал бы экспоненциальное расширение, которое мы наблюдаем сейчас, как показано на рисунке 1.

Я уже сказал, что не увлечен этой идеей и не верю в нее. Вы можете спросить, почему традиционные космологи рассматривают инфляционную фазу как важнейшую часть современной космологии. Есть несколько причин, некоторые значимые, некоторые, по моему мнению, не очень. Большинство причин, изначально выдвигавшихся, я оценивал как не очень значимые, и исходная идея об инфляции меня не обрадовала, когда я впервые услышал о ней. Я вскоре кое-что скажу об этом. Но у инфляции есть несколько важных свойств, из-за которых она нужна. Если вы не признаете инфляцию, вам придется придумать что-то другое, что могло бы сыграть роль инфляции в отношении этих полезных свойств. Так что я намерен заявить, что своего рода инфляция была, но она была не сразу после Большого взрыва, а до него.

Вам это может показаться безумным, но общая идея этого типа для меня не была новой, она выдвигалась несколькими годами ранее хорошо известным и очень заслуженным итальянским физиком по имени Габриэле Венециано. Его модель отличалась от моей, но у него была идея, что что-то происходило и до Большого взрыва и что на этой предыдущей стадии было нечто, выглядящее как инфляция с точки зрения людей, живущих после Большого взрыва. Поэтому когда мы рассматриваем эту очень раннюю вселенную, нам кажется, что мы видим эту вещь, обычно объясняемую экспоненциальным расширением, по нашим предположениям втиснутую в крошечный отрезок времени сразу после Большого взрыва, но может быть, вместо этого нечто случилось до Большого взрыва. Это возмутительное предположение, поскольку считается, что Большой взрыв представляет самое начало вселенной, и я к нему вернусь. Это будет важнейшая часть моего доклада.

Большая часть того, что я собираюсь сказать, будет вполне традиционна с точки зрения современной космологии, но предположение, что нечто происходило до Большого взрыва, отнюдь не традиционно. Я все равно опишу его и в конце постараюсь указать несколько впечатляющих причин отнестись к этому предположению серьезно, с учетом нескольких потрясающих наблюдательных фактов. Для начала я хочу рассказать вам о двух математических трюках, которые полезны для понимания геометрии нашей вселенной. Эти два трюка в некотором смысле являются двумя противоположными аспектами одной идеи. Один из них имеет отношение к тому, как можно объяснить что-либо происходившее до Большого взрыва. Другой может помочь понять, как нечто может существовать за пределами вечности!

Позвольте мне начать с вечности, поскольку (что может показаться удивительным) это немного проще, а там посмотрим. Это трюк, который использовали многие геометры, и даже известный голландский художник М. С. Эшер. На рисунке 2 приведен один из его весьма элегантных принтов: «Предел круга I». На нем изображен способ представления определенного вида геометрии, известного как гиперболическая плоскость. Рисунок показывает так называемое конформное представление этой геометрии. Что здесь означает «конформное»? Это означает, что геометрия деформирована только таким образом, что в пределе уменьшающихся фигур нет искажений, только изменение общих размеров или вращение. Если говорить более точно, углы сопряжения кривых представлены правильно, хотя размеры самих фигур могут быть существенно увеличены или уменьшены. У больших фигур могут быть некоторые деформации, и линии могут быть не очень прямыми.

Рис. 2. Предел круга I.

В данной геометрии (так называемой «конформной картине Бельтрами»), как это проиллюстрировано Эшером, все белые рыбы считают себя идентичными друг другу, и то же с черными рыбами, хотя рыбы, изображенные ближе к краям, намного меньше тех, что в центре. У всех рыб круглые глаза, и эта округлость сохраняется вплоть до краев, как свойство этой конформной геометрии. Граничный круг представляет собой бесконечность для всех рыб этого геометрического мира.

Такое «сдавливание» к бесконечности для получения конечной границы – один из аспектов конформной геометрии. И теперь я сделаю то же самое для вселенной. Мы будем рассматривать пространственно-временную геометрию вселенной тем же конформным образом, используя тот же трюк, что Эшер. Это показано в верхней части рисунка 3. У нас есть три измерения пространства и одно измерение времени (хотя, как и прежде, вы видите только одно измерение пространства на картинке, а остальное воображаете). Этот трюк позволяет нам сдавить удаленную временну́ю бесконечность всего экспоненциального расширения вниз, конформно, к конечной границе, как показано в верхней части рисунка 3.

Рис. 3. Два математических трюка: 1) «сдавить» будущую бесконечность, чтобы получить границу в будущем; 2) «растянуть» сингулярность Большого взрыва, чтобы получить начальную границу.

Теперь я сделаю противоположную вещь с другим концом нашей картины вселенной. То есть, я раздвину Большой взрыв и тоже сделаю его областью с конечной границей. Это показано в нижней части рисунка 6.

Одна из причин, по которым я хочу сделать так – и здесь я не собираюсь вдаваться в подробности, – состоит в том, что я хочу включить одну из самых важных вещей в физике, которая перевешивает любую конкретную динамическую теорию, которую вы рассматриваете. Это Второй закон термодинамики. Этот закон (Второй закон для краткости), грубо говоря, гласит, что с течением времени вещи становятся все более хаотичными. Используя более технический язык, мы скажем, что энтропия увеличивается со временем, где слово «энтропия» – несколько более точный физический термин, для того, что я называл хаосом. Так что Второй закон утверждает, что энтропия увеличивается со временем (или по крайне мере сохраняется) за исключением возможных случайных флуктуаций.

Второй закон можно выразить и по-другому, сказав, что энтропии становится меньше и меньше по мере продвижения в прошлое. Таким образом, чем ближе мы подходим к Большому взрыву, тем меньше должна быть общая энтропия. Однако здесь появляется некий парадокс, по причине имевшего место в отдаленном прошлом чрезвычайно горячего состояния вселенной, которое мы определяем как Большой взрыв, чудовищно горячего состояния, выглядящего как тепловое, где слово «тепловой» обычно определяет максимальную энтропию! В самом деле, свидетельства, которые мы получаем, измеряя так называемый Космический микроволновый фон или CMB (электромагнитное излучение, приходящее к нам из космоса со всех направлений), по всей видимости, подтверждают это. Два наиболее явных и поразительных факта о CMB состоят, во-первых, в однородности во всех направлениях, которую он выявляет в структуре очень ранней вселенной, и во-вторых, в тепловой природе ее спектра (планковский спектр излучения). Оба они характерны для состояния максимальной энтропии! Это выглядит как выраженный парадокс, который мы обнаруживаем в этой очень ранней вселенной, состояние максимальной энтропии в этих двух аспектах, а именно однородности и планковском спектре. Не чрезвычайный ли это парадокс? Мы ведь должны были обнаружить состояние с очень небольшой энтропией, чтобы Второй закон оказывался верен и для самого начала существования вселенной.

Этот очевидный парадокс разрешается тем соображением, что наши предыдущие рассуждения включали только вещество и излучение в ранней вселенной, а роль гравитации не упоминалась. В отличие от случая вещества и излучения, где однородность означает высокую энтропию, в случае гравитации все наоборот. Если вы рассматриваете гравитацию, ситуации с низкой энтропией – то есть «высокоорганизованные» ситуации – это те, в которых геометрия очень, очень однородна.

По мере того как это однородно распределенное вещество начинает слипаться под воздействием гравитации, энтропия в гравитационном поле увеличивается. Слипшиеся области разогреваются и становятся звездами, а однородные области остаются холодными. Это проявление Второго закона термодинамики: резервуар с низкой (благодаря изначальной однородности) энтропией в гравитации в ходе гравитационного слипания переносится к объектам из концентрированного вещества, таким как звезды, вместе с более холодным межзвездным газом, где мы теперь видим дисбаланс температуры и плотности, который указывает на низкую энтропию в веществе. И от этого дисбаланса температуры зависит жизнь на Земле. Мы получаем энергию от Солнца в форме с низкой энтропией (относительно немного фотонов высокой энергии, где фотоны – квантованные элементы света), а ночью энергия возвращается в темное небо в форме с высокой энтропией (много-много фотонов низкой энергии). Таким образом растения с помощью фотосинтеза наращивают свою массу организованным низкоэнтропийным способом и поддерживают жизнь на этой планете. Все это происходит благодаря низкой энтропии в гравитационном поле, которое выражается в очень однородном начальном состоянии.

Одним из первых аргументов, выдвинутых в поддержку необходимости космической инфляции, было то, что раннее разглаженное состояние вселенной может быть объяснено, только если на очень ранней стадии ее существования произошло экспоненциальное расширение, которое разгладило бы любую неровность, которая могла бы возникнуть в самом начале. Этот аргумент и сейчас обычно приводят как причину для постулирования очень ранней инфляционной фазы. Однако именно этот аргумент в пользу космической инфляции, очевидно, неверен, поскольку требует от нее конфликтовать со Вторым законом термодинамики, волшебным образом уменьшая вклад гравитации в энтропию в ходе инфляционного расширения.

Этот контраргумент можно сделать более выразительным, если рассмотреть коллапсирующую модель вселенной – как нашу на рисунке 1, но с обратным направлением времени. С появлением небольших возмущений, развивающихся согласно Второму закону, этот коллапс ведет к огромной конгломерации сингулярных черных дыр, формирующихся на его финальных стадиях, и завершается невероятно сложной пространственно-временной сингулярностью, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Коллапс с образованием сложной пространственно-временной сингулярности.

На самом деле мы можем оценить, насколько более «вероятной» будет сингулярность на рисунке 4 по сравнению с рисунком 1, используя знаменитую формулу, называемую формулой Бекенштейна – Хокинга для энтропии черной дыры. Насколько более вероятным это будет? Ответ – примерно десять в степени 10¹²⁴ к 1, это 1000…00 к одному, где нулей – 10¹²⁴ штук. Это очень большое число! И это дает нам некоторое представление о том, насколько маловероятно, чтобы в конкретном случае произошел такой «Большой взрыв», как в нашей вселенной, или нечто подобное ему. Инфляция совершенно не уменьшает эту невероятность. Должно было быть что-то еще, что дало нам такой необычайно специфический начальный Большой взрыв.

Как нам определить этот особенный характер нашего Большого взрыва в элегантных геометрических терминах? Мой коллега по Оксфорду Пол Тод нашел очень элегантный способ выразить это математически – значительно улучшив способ, который предлагал я, – а именно, растянуть Большой взрыв наружу конформным образом, используя трюк, в основе своей противоположный тому, что мы использовали для бесконечности. То есть, модели вселенной, в которых гравитационная энтропия находится на своем минимуме, – это те, для которых Большой взрыв может быть конформно растянут до получения хорошей гладкой начальной поверхности. На рисунке 3 показаны оба эти конформных трюка; на нем видно, что не только будущая бесконечность сжата на гладкой конформной границе будущего, но и Большой взрыв растянут до хорошей гладкой конформной границы.

В этом нет ничего особенно необычного – просто пара милых математических трюков, призванных помочь нам размышлять об общей пространственно-временной геометрии вселенной. А теперь я сделаю кое-что очень необычное. Основная мысль здесь в том, что растянутый Большой взрыв и сжатая бесконечность – не просто конечные области. Растянутый Большой взрыв рассматривается как продолжение сжатой бесконечности предыдущего эона, и наша сжатая бесконечность продолжится Большим взрывом следующего эона. Я использую термин «эон» для описания фазы существования вселенной, начинающейся с Большого взрыва и становящейся бесконечным экспоненциальным расширением. Конформная бесконечность каждого эона меняет масштаб, становясь Большим взрывом следующего эона. Где-то в бесконечной череде эонов находится и наш эон, как это показано на рисунке 5. Получается бесконечная последовательность эонов до нашего и бесконечная последовательность эонов после нас. Это модель, которую я называю конформной циклической космологией, или КЦК.

Рис. 5. Череда эонов.

Это, конечно, странная идея, безумная идея, если хотите, но она объясняет многие вещи, которые не объясняют другие космологические схемы. В первую очередь, она дает нам Второй закон термодинамики в новой форме – с гравитационными степенями свободы, полностью подавленными во время Большого взрыва. Если вы не полностью понимаете КЦК или не верите в него вовсе, то вы нисколько не уникальны. В той же лодке еще множество народу, но я пытаюсь убедить их, что в этой идее есть нечто, заслуживающее серьезного отношения. Вы вполне можете придерживаться точки зрения, что это просто геометрический курьез. Если вы занимаетесь этой забавной конформной растянуто-сжатой геометрией, то вы можете нарисовать эту милую картинку, но физика ли это? Представимо ли, что реальный мир ведет себя таким странным образом?

Ключевой вопрос здесь в том, как измерять пространственно-временную геометрию вселенной? Мы часто видим, что в популярном изложении люди описывают измерения в этом виде геометрии в терминах повсеместно прикладываемых маленьких линеек. Но линейки не очень годятся для точных измерений расстояний по современным стандартам высокой точности. В Париже хранится метровая линейка, которая была стандартом для определения метра. Сейчас это уже не годится. Расстояния куда лучше определяются временем, и мы используем скорость света для перехода от времени к расстоянию. Определение метра теперь некая часть световой секунды, то есть, расстояния, которое свет проходит за секунду. Атомные и ядерные часы необыкновенно точны, поэтому линеек больше не нужно, мы просто используем часы. Если вы знаете, как измерять время, вы можете измерять расстояния.

Дело в том, что эти часы очень, очень точны по очень хорошей причине. Каковы два самых знаменитых уравнения в физике ХХ века? Одно из них – уравнение Эйнштейна, E = mc², второе – уравнение Макса Планка E = hν (или hf, называйте, как хотите). Е здесь энергия, а ν (это греческая буква «ню») – частота (возможно, чаще обозначаемая f в современных текстах). Планковское E = hν говорит нам, что энергия и частота, по сути, одно и то же! Тогда, с учетом уравнения Эйнштейна, мы можем сложить два и два и понять, что масса и частота – одно и то же. Так что если вы берете стабильную частицу, с хорошо определенной массой, – это маленькие часы. Все стабильные частицы – это очень, очень точные часы, и, как говорят эти знаменитые формулы, частота этих часов, частота их «тиканья» точно пропорциональна их массе. Поэтому у нас есть очень хорошее определение геометрии пространства-времени на основе этих чудесно точных часов, встроенных в природу. Замечательная точность атомных и ядерных часов в конечном итоге зависит от этого самого фундаментального их свойства. Однако можно сформулировать и обратное всему этому утверждение. Оно состоит в том, что если бы мы не имели вокруг частиц с точно определенной массой, тогда метрическая структура пространства-времени была бы не столь определенна. Есть два этапа в истории нашей вселенной – или, скорее, в истории нашего эона – когда это может иметь значение. Один из них – в очень отдаленном будущем, когда среди обитателей вселенной будут доминировать фотоны (частицы света), полностью лишенные массы, согласно современной теории и наблюдениям. Другой – в начале эона, а именно при Большом взрыве. Сразу после этого момента все частицы будут настолько энергично двигаться, что энергия, содержащаяся в массе частиц (Эйнштейновская E = mc²), будет совершенно не важна, то есть все частицы будут вести себя как фотоны, не имеющие эффективной массы.

Это говорит о том, что и с физической точки зрения, а не только с математической, идентификация бесконечно отдаленного будущего каждого эона с началом следующего эона имеет некоторый смысл. Можно считать, что физика, как и математика, гладко перетекает из одного эона в другой. Конечно, потребуются некоторые уравнения, чтобы описать, как именно все будет работать в переходной зоне между двумя эонами. Такие уравнения на самом деле можно написать, но здесь не то мероприятие, где это уместно.

Конечно, возникает вопрос, будут ли у этой схемы какие-либо измеримые последствия. На самом деле, должны быть. Я пытался представить, какие процессы могли бы быть наиболее бурными в эоне, предшествовавшем нашему, и могли бы создать сигнал достаточной силы, чтобы он был замечен в нашем эоне. Идея, которая пришла мне в голову, это столкновение в том предыдущем эоне двух сверхмассивных черных дыр, с созданием еще большей черной дыры, которая поглотит обе исходные. Выброс энергии при таком столкновении может быть обнаружен в нашем эоне. Эта энергия будет распространяться, в основном, в виде гравитационных волн, и, согласно уравнениям КЦК, эти волны распространятся в наш эон в форме импульса энергии, переданного темной материи нашего текущего эона на ранней стадии его эволюции. Такой сигнал мы можем наблюдать как круглое кольцо в космическом микроволновом фоне, вокруг которого будет зона немного повышенной температуры (для особенно далеких источников, сигнал от которых будет направлен к нам в виде узкого пучка) или немного пониженной температуры (для относительно близких источников, когда узкий сигнал направлен от нас). Этот сигнал может быть обнаружен, поскольку колебание температуры (узкое распределение температуры) вокруг такого кольца будет аномально малым среди других колец с тем же центром.

Можно ожидать, что в большом скоплении галактик будет достаточно крупных галактик со сверхмассивными черными дырами в центре. Можно ожидать, что за долгую историю такого скопления подобных столкновений будет множество, и остановятся они только когда во всем скоплении останется одна сверхмассивная черная дыра. Эти скопления создадут круглые кольца в нашем космическом микроволновом фоне, которые будут казаться нам концентрическими, потому что скопления галактик остаются, в целом, связанными структурами, несмотря на ускоренное расширение вселенной под действием космологической постоянной Λ. Таким образом, подтверждение теории КЦК может быть получено в форме необъяснимого избытка в космическом микроволновом фоне концентрических колец с узким распределением температуры.

У меня есть коллега из Армении, Вахе Гурзадян, который искал такие сигналы. После нескольких начальных неудач мы обнаружили отчетливые подтверждения того, что эти сигналы в самом деле присутствуют в космическом микроволновом фоне. Конечно, может оказаться, что найденные сигналы – лишь видимость, созданная случайным стечением обстоятельств. Необходимо выполнить тщательный анализ, чтобы убедиться, что такие сигналы действительно присутствуют на уровне выше случайного. Используя простую, но довольно необычную процедуру, мы смогли собрать значительное количество данных, подтверждающих это. Немногим позже некоторые другие наши коллеги в Польше под руководством Кшиштофа Майсснера, используя несколько иной и более традиционный метод статистического анализа, нашли дополнительное подтверждение значимого присутствия подобных круговых сигналов.

Я хочу показать вам несколько изображений микроволнового неба, проанализированных согласно процедурам, предложенным Гурзадяном и мною. Рис. 6 – это изображение микроволнового фона, на котором показаны наборы круглых колец с узким распределением температуры, в каждом из которых не менее трех колец имеют общий центр. (Пустая горизонтальная полоса посередине рисунка, закрывающая область от линии на 20° выше до линии на 20° ниже галактической плоскости Галактики, исключена, чтобы убрать шум от Млечного Пути). Мы обнаружили 352 таких центра, что значительно больше, чем можно было ожидать от случайного распределения. Мы также использовали очень простую, хотя и новаторскую процедуру, чтобы показать, что такой же поиск концентрических колец эллиптической, а не круговой формы обнаруживает значительно меньшее их число, резко уменьшающееся с ростом эллиптичности. Польская группа Майсснера использовала совсем другой метод анализа данных космического микроволнового фона (и не рассматривала вопрос о концентричности), но тем не менее получила результат на уровне достоверности 99,7 %[11], что круговые структуры не просто случайность. Канадская группа, возглавляемая Дугласом Скоттом, использовала те же процедуры, что и Гурзадян, и также обнаружила картину концентрических кругов, практически идентичную на рисунке 6, так что круговые структуры на самом деле выглядят настоящими. Однако авторы последнего исследования, скептически относящиеся к КЦК, заключили, что эти структуры все же являются статистическим эффектом.

Рис. 6.

Все это был анализ данных со спутника WMAP, запущенного в 1989 году, который наблюдал температурные вариации в космическом микроволновом фоне по всему небу. Позднее, в 2009 году, был запущен более чувствительный и точный спутник, называемый космической обсерваторией им. Планка. Некоторые полагают, что когда поступят полные данные с Planck, круговые структуры исчезнут. Были немалые споры относительно очевидного значения круговых структур, обнаруженных в данных WMAP. Однако по данным Planck эти структуры не пропали, но стали более заметными. На рисунке 7 показано изображение, полученное по данным Planck, проанализированным Гурзадяном тем же образом, что и данные WMAP. Опять, как и на рисунке 6, данные Planck показывают множество наборов из по меньшей мере трех концентрических колец с узким распределением. Теперь мы видим гораздо больше подобных центров. Более того, польская группа Майсснера, используя ту же процедуру, что и для данных WMAP, но несколько более изощренную, нашла в данных Planck подтверждение реальности круговых структур примерно на том же уровне значимости, что и в предыдущий раз.

Рис. 7.

Тем не менее благодаря понятному нежеланию настолько серьезно менять традиционную космологическую картину, аргументов против достоверности наблюдательных свидетельств в пользу КЦК все еще очень много. Однако эта критика сфокусирована на статистических вопросах касательно общего числа обнаруженных круговых структур, а не на более заметном глазу факте значительной анизотропии распределения этих структур по небу. Более того, как мы видим из рисунка 8, показывающем центры троек (или большего числа) концентрических колец с узким распределением, обнаруженных Гурзадяном в данных Planck, имеется не только явная неравномерность распределения, но видно, что сгущения этих колец часто совпадают с цветом, которым на этом рисунке для каждого центра показана средняя температура концентрических колец. Здесь красный цвет обозначает температуру выше средней, а синий – ниже средней. Таким образом, рис. 8 иллюстрирует два аспекта этих сгущений. Первый – очень плотное сгущение самих центров в относительно небольших областях, что для меня неожиданно. Второе – если рассмотреть положения этих сгущений на небе, видна их сильная корреляция с цветовым кодом. Более того, напомню, что группа Майсснера обнаружила сходные с нашими результаты, и что группа Скотта получает те же изображения, что и мы. Конвенциональное объяснение температурных вариаций в космическом микроволновом фоне состоит в том, что они происходят от квантовых флуктуаций поля («инфляционного поля»), которые пронизывают инфляционную фазу изменения температуры вселенной. Традиционное объяснение наблюдаемых температурных вариаций говорит нам, что они должны быть, по сути, случайными квантовыми событиями. Но мы видим на рисунке 8, что цвет прямо коррелирует со сгущениями – и КЦК предсказывает именно такого рода корреляцию!

Рис. 8.

Почему именно такую? Согласно КЦК, тот или иной избыток цвета в определенном месте на микроволновом небе является прямым указанием на расстояние от нас до источника сигнала (скопления галактик), имеющего вид концентрических кругов. Здесь возможна некоторая путаница, потому что самые удаленные источники – те, от которых сигнал идет к нам. Поэтому температура излучения, идущего от них, смещена в синюю сторону, хотя в терминах традиционной космологии более далекие источники – более красные. То есть, их температура выше средней, поэтому на рисунке 8 этот эффект изображен красным цветом. Сравнительно более близкие источники видимы как несколько более холодные кольца, потому что их сигнал идет в другую сторону от нас. Согласно КЦК, явно видимое красное пятно справа, чуть ниже вырезанной полосы, происходит от громадной области скопления галактик («супер-пупер скопление»), которая находится на огромном расстоянии от нас, в предыдущем эоне. Его размер может быть оценен исходя из углового диаметра области красных точек, а общий для всех этих точек оттенок красного говорит о том, что суперскопление хотя и огромно, но все же локализовано на шкале расстояний. Синяя область вверху справа – сигнал от чего-то более близкого и имеющего меньший размер (хотя все равно масштаба «супер-пупер»). Всего этого нет в стандартной космологии, с КЦК это согласуется!

Если вы не верите в КЦК, эти наблюдения придется объяснять как-то по-другому. Традиционое объяснение температурных вариаций СMB следующее. Температурные вариации вызваны «квантовыми флуктуациями» в поле, которое необходимо, чтобы произвести инфляцию в ранней вселенной. Не буду объяснять, как это работает – для нас главное, что в этом случае процессы должны быть случайными, то есть на небе не должно быть выделенных направлений. Соответственно, размещение центров концентрических колец с узким распределением температуры на рисунке 9 должно выглядеть как случайная россыпь, без значимых отклонений от средней температуры (в нашей цветовой кодировке все они выглядели бы зелеными). Хорошо было бы объяснить несоответствие между наблюдаемой неоднородной картиной (как на рис. 8) и предсказаниями традиционной теории, которые должны быть в большей степени похожи на рисунок 9.

Рис. 9.

Источники

An, D., Meissner, K.A. and Nurowski (2015) P.I. arXiv:1510.06537 DeAbreu, A., Contreras, C., Scott, D. Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background (2015) JCAP, 12, 031 Einstein, A. (1917) Kosmologische Betrachtungen zur algemeinen Relativitätstheorei. Sitzungsberichte derPreussischen Akedemie der Wissenschaften. Gurzadyan, V.G. and Penrose R. (2013) On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky. Eur. Phys. J. Plus (2013) 128: 22 DOI 10.1140/epjp/i2013-13022-4. Gurzadyan,V.G. & Penrose, R. (2016) CCC and the Fermi paradox Eur. Phys. J. Plus (2016) 131: 11. Hawking, S.W. (1974) Black hole explosions? Nature, 248, 30-1. Hawking, S.W. (1976) Black holes and thermodynamics Phys. Rev., D13(2) 191. Meissner, K. A., Nurowski, P. and Ruszczycki, B. (2013) Structures in the microwave background radiation, Proc. R. Soc. A469:2155, 20130116, arXiv:1207.2498[astro-ph.CO]. Penrose, R. (2006) Before the big bang: an outrageous new perspective and its implications for particle physics. In EPAC 2006 – Proceedings, Edinburgh, Scotland, pp.2759-62 ed. C.R.Prior (European Physical Society Accelerator Group, EPS-AG). Penrose, R. (2009) The Basic Ideas of Conformal Cyclic Cosmology, in Death And Anti-Death, Volume 6: Thirty Years After Kurt Gödel (1906–1978), Chapter 7, pp. 223–242. (Ed. Charles Tandy, Ria University Press, Stanford, Palo Alto, Calif.) ISBN 978-1-934297-03-2. Penrose, R. (2010) Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe. (Bodley Head, London). (ISBN 978-0-224-08036-1; 9780099505945). Perlmutter, S. et al (1998) Cosmology from type Ia supernovae Bull. Am. Astron. 29. [astroph/9812473]. Rindler, W. (2001) Relativity: Special, General, and Cosmological (Oxford University Press, Oxford). Schnidt, B. His lecture at this Starmus occasion. Tod, K.P. (2003) Isotropic cosmological singularities: other matter models. Class. Quantum Grav. 20 521–534 doi:10.1088/0264-9381/20/3/309

Я хотел бы поднять вопрос об ускоренном расширении пространства и темной энергии. Позвольте мне дать краткий обзор ярких тем этого рассказа, которые тесно связаны с моим докладом. Поскольку обычная гравитация замедляет, скажем, подброшенное вверх яблоко, все думали, что расширение вселенной тоже со временем замедлится. Ожидалось, что гравитация стянет все обратно. Однако в работах Адама Рисса, Брайана Шмидта, Сола Перлмуттера и их команд обнаружено нечто совершенно противоположное. Со временем скорость расширения вселенной увеличивается, расширение ускоряется. Все движется в разные стороны все быстрее и быстрее. Это, конечно, поставило интересный вопрос – а что создает это тяготение вовне, которое растягивает все в разные стороны? Наиболее широко принятое объяснение – темная энергия, невидимая энергия, заполняющая все пространство.

Я покажу вам, как примерно это выглядело бы. Темная энергия равномерно заполняет пространство. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, она расталкивает все в разные стороны – генерирует отталкивающую гравитацию. Так вот, со временем эта отталкивающая гравитация растаскивает все в стороны быстрее и быстрее. Это потрясающий результат наблюдений, но он поднимает глубокие вопросы. Откуда берется эта темная энергия? Из чего она состоит? Как она меняется со временем?

Есть три возможных объяснения, я сосредоточусь на первом из них. Этот вариант состоит в том, что пространство заполнено некой космологической постоянной и энергией, которая постоянна во времени. Моя задача – предложить объяснение глубокой тайны этой космологической постоянной или темной энергии – эти термины у меня взаимозаменяемы. Есть одно загадочное обстоятельство: результаты стандартных вычислений драматически отличаются от результатов наблюдений.

Посмотрим на количественную величину этой разницы. На экране вы видите выраженное в естественных единицах количество темной энергии на единицу объема, необходимое для объяснения наблюдений. Когда мы, теоретики, видим такое число, у нас душа уходит в пятки. В наших теориях и уравнениях таких величин не встречается – мы привыкли работать с величинами 1, ¹/₂, е, π, √2 и подобными им.

Как быть с теорией, где начав с таких величин, мы приходим к числу, показанному на экране? Эта тайна побудила многих людей предложить возможные варианты. Единого решения, с которым бы все согласились, пока не нашлось. В отведенное мне здесь время я постараюсь объяснить одно из возможных решений. Многие считают его наиболее радикальным из всех возможных, и вероятно, это означает, что оно неверно.

Но это не страшно. Красота науки в том, что вы выдвигаете теории, основанные на строгих математических рассуждениях и идеях, предъявляете их миру и позволяете данным, свидетельствам и наблюдениям рассудить, что верно и что неверно. На текущий момент у нас нет достаточного количества точных данных, чтобы получить ответ из наблюдений, так что мы продолжим теоретизировать и посмотрим, куда это нас приведет, а приведет это нас к довольно странным вещам.

Фактически, это приведет нас к понятию, что наша вселенная может быть – и я подчеркиваю слово «может» – одной из многих вселенных. Мы можем быть частью множества вселенных – мультивселенной – и это определенно непривычная, странная идея. Она удивительна, потому что большинство привыкло думать, что вселенная – это все, что есть. Но вот другая точка зрения. Здесь в первом ряду сидит моя дочка. Сейчас ей восемь, но когда ей было три с половиной, она уже слышала про эти идеи. Однажды я держал ее на руках и сказал ей: «София, я люблю тебя больше всех во вселенной». И эта маленькая девочка повернулась ко мне и спросила: «Папа, во вселенной или в мультивселенной?»

Как бы там ни было, вопрос в том, откуда взялась идея мультивселенной и каково ее теоретическое обоснование.

Я расскажу о подходе, называемом теорией струн, из которого естественным образом следует эта возможность. Отметьте, пожалуйста: я не говорю, что эти идеи верны – никто не должен верить ни в какие идеи, пока они не подтверждены наблюдением или экспериментом. Но я надеюсь убедить вас, что есть веские теоретические причины принимать мультивселенную всерьез.

Теория струн появилась десятилетия назад при попытке соединить теорию гравитации Эйнштейна, то есть общую теорию относительности, и квантовую физику. Объединить их трудно, но теория струн позволяет делать это по крайней мере на бумаге.

Что ж, главная идея такова. Вы берете любой обычный фрагмент вещества, скажем, яблоко, и изучаете его. При очень-очень высоком разрешении вы находите молекулы и атомы, электроны, вращающиеся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Далее вы видите, что протоны и нейтроны состоят из кварков. И на этом традиционные идеи заканчиваются. Идея теории струн в том, что глубже есть что-то еще. И это – маленькая, крошечная, вибрирующая нить энергии. Различные колебания этой струны создают различные виды известных нам частиц – электроны, кварки, нейтрино. Все эти частицы – всего лишь различные типы вибраций гипотетической сущности, называемой струной. На бумаге это привлекательная идея, потому что она соединяет гравитацию и квантовую механику. Никакого экспериментального подтверждения эта идея пока не имеет, по той причине, что струны очень маленькие. Ну, вот и все.

Их очень трудно увидеть. Согласно обычным для этой теории оценкам, струны имеют сечение размером 10–35 метра. Это далеко за пределами возможностей Большого адронного коллайдера.

Так что теория струн – это теоретическая основа, не подтвержденная наблюдениями. Красота идеи в том, что вся физика, которую мы наблюдаем, происходит от различных типов вибрации струн. Если же углубиться в математическое представление этой теории, появляется еще один странный и неожиданный вывод. Уравнения не работают, если в нашей вселенной только три пространственных измерения. Нужно больше измерений в пространстве, чем влево/вправо, вперед/назад и вверх/вниз.

Как это может быть? Дело в том, что другие измерения, которых требует математика теории струн, могут быть втиснуты в очень маленький размер, настолько маленький, что мы не видим их. Представьте садовый шланг. Издалека он выглядит, как линия. С близкого же расстояния видно, что вокруг нее обернут дополнительный элемент. Издалека вы его не видите, потому что он слишком маленький.

Эта идея, возможно, применима к теории струн. Позвольте показать вам наглядно.

Все мы знаем про обычные три измерения – вверх – вниз, влево – вправо, вперед – назад, но если пойти глубже в ткань пространства, можно найти дополнительные свернутые измерения. Они известны как многообразия Калаби – Яу, Риччи-плоские многообразия, Кэлеровы многообразия, комплексные Кэлеровы многообразия первого класса Черна. Но не беспокойтесь о технических деталях.

Как видно, струны настолько малы, что могут вибрировать в этих дополнительных измерениях. Посмотрите, как переплетения и складки в этих измерениях влияют на вибрацию струн. Это чрезвычайно важно, потому что в теории струн от вибрации зависят физические свойства, которые мы наблюдаем – масса частиц, сила взаимодействий, даже количество темной энергии. Так что, если бы мы в точности знали, как выглядят другие измерения, то могли рассчитать, скажем, количество темной энергии.

Что можно извлечь из этого понимания? Нужно постараться внимательно рассмотреть эти дополнительные измерения и рассчитать результирующие физические свойства, а затем сравнить их с наблюдениями.

В 1980-х, когда я был старшекурсником, было известно только пять форм, которые удовлетворяли уравнениям теории струн. В моей диссертации я взял один из этих вариантов, произвел необходимые вычисления, сделал физические предсказания. Затем мы сравнили их с наблюдениями и выяснилось, что это не работает. Расчетные физические свойства не совпадали с наблюдениями. Тогда мы сказали: «Давайте посмотрим на другую форму, возможно, предсказания по ней совпадут с наблюдениями». Однако к тому моменту список найденных вариантов вырос до нескольких тысяч. Впрочем, несколько тысяч было бы еще не страшно, должны же старшекурсники что-нибудь делать.

Но когда мы вошли в 1990-е, в 2000-й год и далее, нашлось еще больше подходящих вариантов. Сейчас счетчик стоит на отметке 10500 форм. Это много – куда больше, чем частиц в наблюдаемой вселенной. Столько никогда не изучишь последовательно. Что же делают ученые? Сторонники теории струн разделились на три основные группы. Первые говорили, что эта теория никогда не даст точных предсказаний, потому что неизвестно, какой вариант формы дополнительных измерений выбрать. А без точных предсказаний теорию можно просто выбросить в мусорную корзину. Такая реакция, без сомнения, заслуживает уважения. Другие сказали, что если продолжать работать, можно найти математическое уравнение, которое позволит выбрать нужный вариант. Но этого пока не случилось.

Третья реакция выглядела так: «Математику следует принимать всерьез. Может быть, нет единственного верного варианта. Может быть, все варианты верные. Нам не нужно искать уравнение для выбора единственного варианта для нашей единственной вселенной. Может быть, все эти варианты имеют право на существование, и в мультивселенной у каждой вселенной – свой вариант формы дополнительных измерений, и свое количество темной энергии».

Сила этого утверждения в том, что объяснение странной величины – количества темной энергии – больше не будет представлять проблему, потому что любое мыслимое количество темной энергии, где-нибудь в огромной мультивселенной да реализуется. Выражу это в терминах моего сына. Раз я рассказал об одном ребенке, нужно рассказать и о другом, иначе жди беды. Когда моему сыну было четыре с половиной, мы пошли в обувной магазин, выбрали на полке его любимые ботинки, продавец вышел, вернулся, надел ему ботинки, мы расплатились и пошли. Все хорошо. Пока мы шли домой, сын повернулся ко мне и сказал: «Как удачно, что у них был мой размер». И я понял, что он не понимает, как работает обувной магазин. С его точки зрения, произошло нечто таинственное – каким образом в магазине оказались ботинки именно его размера? Он не понимал, что в магазине есть склад с ботинками всех размеров. Когда я по случаю объяснил это ему, тайна растворилась в воздухе. Конечно, у них был его размер, у них есть все размеры.

То же и здесь. Если в мультивселенной есть вселенные со всеми возможными значениями темной энергии, значит, это мультивселенная с большим складом. Наша вселенная должна быть там, потому что это одно из возможных значений. Тогда картина выглядит так. Если мы оторвемся от Земли, выберемся из Солнечной системы и отправимся дальше за пределы галактики Млечный Путь и за пределы нашей вселенной, мы обнаружим, что наша вселенная – одна из множества в огромной мультивселенной. И если мы изучим каждую из этих вселенных, мы увидим, что у каждой дополнительные измерения имеют свою форму.

Различные варианты формы определяют, как вибрируют струны, и дают разные величины для количества темной энергии. Наше значение – лишь одно из огромной коллекции величин, присутствующих в мультивселенной. Так что, как видите, это позволяет сменить вопрос. Это больше не вопрос объяснения малого количества темной энергии, которое мы наблюдаем. Новый вопрос, который теперь имеет значение: «Почему мы в этой вселенной, а не в какой-нибудь другой?»

А это вопрос, на который мы можем ответить, потому что, если рассмотреть вселенные, в которых намного больше темной энергии, чем в нашей, можно понять, что отталкивание в них было бы настолько сильно, что ничего бы не сгущалось, не было бы никаких галактик. В такой вселенной мы совсем не могли бы жить. А если рассмотреть вселенную, где темной энергии намного меньше, скажем, отрицательное количество, станет ясно, что такие вселенные сами по себе очень быстро коллапсируют, и в них не хватит времени, чтобы могла развиться жизнь. Это и будет объяснением для наблюдаемого в нашей вселенной количества темной энергии. Для тех, кому такой логический путь кажется некомфортным, отмечу, что рассуждения подобного рода мы используем постоянно для самых разных ситуаций.

Давным-давно Кеплер пытался объяснить, почему Земля находится на определенном расстоянии от Солнца, как мы знаем сегодня – 93 миллиона миль. Сначала он хотел рассчитать эту цифру исходя из фундаментальных принципов, из уравнений. Он не смог этого сделать, и мы знаем, что тому есть причина. Кеплер задавал неправильный вопрос. Есть множество планет на разном расстоянии от их звезд, и нет никакого фундаментального объяснения тому, что мы находимся на расстоянии 93 миллиона миль от нашей. Вместо этого правильный вопрос состоит в том, почему мы, человеческие существа, живем на планете, которая находится на расстоянии 93 миллиона миль от такой звезды, как наше Солнце.

И на этот вопрос мы можем ответить, если немного подумаем. Если вы будете жить на планете, расположенной намного ближе к звезде типа Солнца, будет невероятно жарко, настолько жарко, что наша форма жизни не сможет развиваться или выжить. Если вы будете намного дальше, будет намного холоднее. Опять трудно – нет жидкой воды, необходимой для нашей формы жизни. Так что мы знаем, почему мы живем на таком расстоянии – оно благоприятно для нашей формы жизни. Вот так это и объясняется.

Пример с планетами поднимает последний из вопросов, которых я коснусь. Пример с планетами звучит убедительно, потому что мы знаем, что во вселенной есть другие планеты. Но объяснение темной энергии, включающее другие вселенные, может оставить вас в неуверенности, потому что мы не знаем, существуют ли другие вселенные. Есть ли какой-то хотя бы мыслимый механизм появления других вселенных?

Хорошо, а как сделать одну вселенную? Вернемся к традиционному Большому взрыву. Происходит «взрыв» – раздувание пространства, которое распространяет материю и излучение по всем направлениям, вселенная расширяется, и наконец мы получаем все то, что привыкли видеть на темном ночном небе. Однако когда физики и астрономы попытались объяснить, что заставляет пространство расширяться, им пришлось нелегко.

И в 1980-х годах была выдвинута теория, называемая инфляционной космологией – о ней, без сомнения, расскажут здесь другие докладчики. В этой теории мы представляем себе, что было космическое топливо, в некотором смысле похожее на темную энергию, но куда более мощное. Оно называется полем инфляции, но название само по себе не имеет большого значения. Важно, что это поле в ранней вселенной произвело толчок наружу, который разнес все в разные стороны.

Красивая сторона этой теории состоит в следующем. Если пристально посмотреть на математику, выясняется, что энергии этого поля инфляции настолько много, что использовать его полностью практически невозможно. То есть, для одного Большого взрыва используется только часть. Но в процессе взрыва производится еще больше этого топлива, что генерирует другие Большие взрывы – создание других вселенных.

Тогда картина будет вот какой: происходит Большой взрыв, но он не уникален, за ним следует Большой взрыв за Большим взрывом за Большим взрывом за Большим взрывом, и каждый создает свою вселенную. Теперь, если мы вернемся к дискуссии о теории струн, можно увидеть, что в каждой вселенной будет свой вариант формы дополнительных измерений. Каждый вариант подразумевает свое количество темной энергии, и мы оказываемся в схеме мультивселенной. Причем мы находимся в этой вселенной, а не в другой, потому что значение темной энергии здесь совместимо с формированием галактик и всем прочим, необходимым для нашей формы жизни. Мы здесь, потому что нас не может быть нигде больше.

Теперь напомню, что, как я сказал в начале доклада, я не верю в эту идею. Благодарю покорно. Нет, нет, я только имею в виду, что никто не должен ни во что верить, пока не будет доказательств, наблюдательных подтверждений. Это убедительная последовательность теоретических идей. Она естественным образом вытекает из математического анализа. Можно ли вообще произвести наблюдение, которое позволит нам понять, правильно это или нет? Ответ, в принципе, положительный, и вот каким может быть это наблюдение.

Крошечные температурные вариации в реликтовом излучении дают крошечные цветовые отличия. Если вовне существуют иные вселенные, расчеты показывают, что они могут сталкиваться с нашей вселенной. Если бы такие столкновения происходили, от них по микроволновому фону шла бы рябь, создавался бы определенный температурный «рисунок», который, в принципе, может наблюдаться. Подобный рисунок искали, но пока не нашли. Бывали и ложные тревоги. Но принципиально ясно, что идея о других вселенных может быть проверена наблюдениями.

Позвольте мне завершить одной идеей, которая для меня – одна из наиболее любопытных, даже эмоционально важных, и состоит она в следующем. Если темная энергия постоянна, никогда не меняется, это тотальная константа, космологическая постоянная, – если это верно, то возникают любопытные последствия для нашего отдаленного будущего. Раз вселенная расширяется все быстрее, со временем далекие галактики улетят так далеко, что исходящий от них свет будет проигрывать в гонке расстоянию, разделяющему нас. Мы потеряем из виду все далекие галактики, и только локальная группа останется в поле зрения. И когда наши потомки посмотрят в глубины космоса в очень, очень далеком будущем, что они увидят?

Это будет интересная картина. Знакомая картина. Вселенная, которая статична, вечна и неизменна. Картина, в которую мы когда-то верили, но теперь убедились, что она неверна. Представьте себе, что вы – астроном из далекого-далекого будущего, вы смотрите в свой самый мощный телескоп и видите вот такое. Вы подумаете: «Мы – всего лишь небольшой островок галактик. Вокруг ничего нет». Можем ли мы как-то сказать этому человеку, что его картина вселенной неверна?

Что же, скажете вы, «Это просто – мы просто напишем им записку. Просто скажем им: “Дорогой Будущий Астроном, когда ты посмотришь в космос, ты увидишь темноту. Не верь этому. Здесь было множество галактик, просто они улетели далеко”». Но представьте, что вы – будущий астроном, и кто-то принес вам это ветхое, старое, пыльное знание, какую-то мифологию. Вы открываете письмо и читаете это. Неужели вы поверите в это? Или вы поверите тому, что видите? Думаю, поверите тому, что видите.

И это любопытное положение вещей, потому что мы привыкли к вселенной, где со временем мы узнаем все больше и больше о том, как устроен мир. Но этот маленький результат предупреждает нас, что иногда вселенная раскрывает секреты только в определенном окне времени. А когда это окно закрывается, эти секреты могут исчезнуть навсегда, уйти за горизонт.

Некоторые люди воспринимают это как довольно безотрадную картину будущего. Мне же кажется, что на самом деле она вдохновляющая. Она говорит нам, что мы живем в чудесное время, когда некоторая правда о вселенной все еще доступна. И это в эру, когда на мировой арене есть лидеры или потенциальные лидеры, которые намеренно игнорируют свидетельства и данные, чтобы говорить, что им хочется. Поэтому я думаю, что абсолютно необходимо рассказывать такие истории.

Что мы и делаем, конечно. Необходимо, чтобы мы, ученые, рассказывали о науке. Вы – особый случай. Вы пришли на это собрание, но подумайте обо всех остальных людях в мире. Необходимо, чтобы общественность была вдохновлена научными идеями или по крайней мере верила, что наука – верный путь к истине. Учитывая все опасности, с которыми мы сталкиваемся, и все возможности, которые у нас есть, это – единственный путь в светлое будущее. Благодарю вас.

Сегодня я расскажу вам о сигнале, доходящем от начала вселенной. Такие разговоры обычно заводят меня в религиозные дебри, но сегодня я все же постараюсь внятно рассказать вам о том, как мы узнали о вселенной много нового. Источником этого нового знания стал свет – свет, дошедший до нас от начала времен, от времен чуть более поздних и от времен не столь далеких. Этот свет многое говорит нам о природе вселенной и космическом влиянии на Землю. Наш век вполне можно сравнить с эпохой Великих географических открытий, когда путешественники из Португалии и Испании исследовали Землю, только теперь мы исследуем всю вселенную.

Чтобы ввернуть красивую метафору, я сравню нашу работу с детективным расследованием. Мы случились во вселенной и теперь пытаемся выяснить, что, собственно, произошло. Рыщем по месту преступления и пытаемся восстановить картину. Находим улики и подсказки. Если мы правильно их интерпретируем, то узнаем в точности, что было здесь до нас. Все вы, наверное, смотрите детективные сериалы и знаете, что пары анализов и сложной компьютерной симуляции достаточно, чтобы воссоздать все условия преступления и вычислить преступника. Вот примерно этим мы и занимаемся. И позвольте напомнить, что воссоздать нам нужно не комнатку или темную аллею, но вселенную со всем ее содержимым.

Одна из замечательных вещей, о которых вы, наверное, слышали хотя бы краем уха – изображение Hubble Ultra Deep Field (см. стр. 2 вклейки). Когда я был молод, мы обсуждали отдельные галактики или пару скоплений, а теперь мы видим это – больше 2000 галактик на одном снимке. Практически все, что видно на этой знаменитой фотографии, кроме пары звезд, – это галактики. Видно, что они отличаются по цвету и размеру. Некоторые из них совсем небольшие и имеют странную форму. Вы видите овалы и спирали. Просто взглянув на это изображение, вы понимаете, насколько много галактик во вселенной! Вы слышали цифру «100 миллиардов» и думаете: зачем нужны 100 миллиардов галактик, если одной Солнечной системы вполне достаточно?

Солнечной системы хватает для жизни, так что к чему нам 400 миллиардов звезд и 100 миллиардов галактик? Это требует объяснения.

Если потратить какое-то время на анализ снимка, можно увидеть определенный переход. Галактики поменьше (то есть более далекие от нас) обладают неправильными формами и, что удивительно (не забывайте, что вселенная расширяется), они белее и голубее – а это значит, что они горячее. И они не просто горячее, а гораздо горячее, потому что из-за расширения вселенной их свет должен был бы смешаться в красную сторону, но их температура оказывается выше, чем у соседних галактик, тех, что имеют желтый оттенок.

Кажется, что такое не объяснить на пальцах, но на деле это гораздо проще, чем можно подумать. У нас есть один простой инструмент, наш главный источник информации – свет, который, хотя и путешествует очень быстро, но все же имеет конечную скорость, а вселенная при этом огромна. Когда мы заглядываем куда-то очень далеко, скажем, если я прямо сейчас сделаю фотографию Солнца, то на снимке будет видно, каким оно было восемь минут назад, потому что свет преодолевает расстояние от Солнца до Земли за восемь минут. Если мы взглянем на Юпитер, то увидим, каким он был 40 минут назад.

Недалекие от нас звезды мы видим такими, какими они были десятки лет назад. Если говорить о центре Галактики, то мы видим его с задержкой во много тысячелетий. От туманности Андромеды свет к нам летит два миллиона лет. Будь у нас фотография Земли два миллиона лет назад, мы сравнили бы ее с нынешней Землей и нашли бы много отличий – никакой Великой китайской стены, никаких городов, ничего. Никаких следов присутствия человека, потому что никакого человека, скорее всего, еще и не было.

Мы можем для удобства представить, что находимся в центре нескольких сфер, расположенных одна в другой. Мы наблюдаем за светом, который движется к нам (наблюдателям). Радиус каждой сферы измеряется не только расстоянием, но и временем. Это как бы путешествие в прошлое. Так что если мы поймем, что происходит в каждой сфере, то сможем реконструировать историю вселенной с самого ее начала.

Давайте представим начало вселенной как сферу, которая находится дальше всего от нас. Настоящее – это ближайшая к нам сфера, все, что находится в пределах световой секунды (примерно расстояние от Земли до Луны). Мы находимся в спиральной галактике, примерно посередке одного из рукавов, вокруг нас эти воображаемые сферы, отмеряющие время-расстояние. Если мы взглянем на своих ближайших соседей, то увидим уже проэволюционировавшие спиральные галактики и эллиптические галактики.

Если заглянуть дальше, то мы начнем замечать «неправильные» галактики. Они еще не развились, не слились с другими галактиками, не приняли форму спирали или эллипса. Давайте еще раз проговорим этот концепт космических временных сфер: начало времен – где-то далеко (край вселенной, дальше некуда), настоящее – прямо здесь, на Тенерифе, а вокруг нас – миллиарды галактик. Мы не можем все их сфотографировать или изобразить, так что просто представьте 100 миллиардов галактик: те, что рядом с нами – сформировавшиеся, похожие на нашу, а далекие галактики (те, что раньше считались «неправильными»), просто еще не развились.

Изучая галактики, мы можем создать как бы карту всего объема самой большой сферы. Эта карта понадобится вам не только чтобы найти дорогу, когда вы полетите в гости к другу на своем космолете, но и чтобы буквально увидеть историю вселенной своими глазами. Такова наша задача.

Теперь давайте минутку поговорим о фильмах. Один из них я упоминаю, потому что в аудитории сидит Джилл Тартер, – это фильм «Контакт» 1997 года с Джоди Фостер в главной роли, где она встречается с пришельцами. Джилл во многом была прототипом персонажа Фостер. Если вы посмотрите «Контакт», то увидите, что естественное освещение там создает не Солнце, а Джоди Фостер. Можете посмотреть одну из частей фильма с ужасными звуками, которые изображают исходящие радиоволны. Итак, мы пролетаем Марс и пояс астероидов. Если прислушаться, можно услышать звуки высадки на Луну, звуки убийства Кеннеди и так далее.

В фильме есть важный эпизод, где камера (вместе с главной героиней) пролетает мимо планет, удаляясь от Земли. Каждому астронавту ведь известно, что для любого полета планеты выстраиваются в идеальную прямую линию, правда? Эту сцену явно было сложно и дорого снимать, зрители, должно быть, были в восторге. Так на какой же информации все это основывалось в 1997 году? Сейчас кажется, что это какие-то пещерные времена. Но к этому времени мы уже посещали планеты нашей системы, посылали туда зонды и у нас уже были неплохие снимки этих планет. И вот, когда камера пролетает мимо пояса Копейра и облака Оорта, зритель начинает видеть другие звезды – и с этого момента киношникам пришлось выдумывать большую часть картинки вплоть до встречи Джоди с инопланетянами. Но кое-что мы все-таки знали наверняка, потому что телескоп Хаббл уже какое-то время работал. Вот камера пролетает через знаменитое облако межзвездного газа и пыли в туманности Орел – оно называется Столпы Творения. В этой точке нашей Галактики идет активное звездообразование. Когда звезды нагреваются, они испаряют вещество вокруг себя и отталкивают его, из этих испарений и появились Столпы Творения.

Моя исследовательская группа тоже снимает своего рода кино – мы сделали несколько роликов, в которых показана модель вселенной. В одном из них запечатлены наша Галактика и Андромеда. Знаете, астронавты часто говорят о том, какой крошечной Земля кажется из космоса, но если взглянуть на вселенную в целом, то можно не то что Землю, а всю нашу Галактику закрыть кончиком карандаша!

В другом ролике (мы закончили его прошлым летом) – совсем другая музыка, гораздо более вдохновляющая, хотя все еще несовершенная. Он открывается кадрами Земли – настоящими, не модельными. Мы начали с Тибета, потому что это очень красивое место и потому что там не было облаков. Чтобы скомпоновать изображения, которые вы видите в приложении Google Earth, нужно было сделать множество снимков в моменты, когда на небе не слишком много облаков. Там добавлена одна новая функция, которая мне очень нравится: мы здесь, на Земле, и мы поместили свои творения в космос. Это не вопрос о закрытии двери в космос: люди присутствуют в космосе, пусть не сами, но посредством своих аппаратов.

Сначала мы видим, что делается на орбитах Земли. Вот замечательная российская орбита «Молния», вот известная геостационарная орбита «пояс Кларка», ее мы очень активно используем. Наконец, мы достигаем Луны – всего-то одна световая секунда от нас – и с орбиты Луны мы уже едва видим Землю. В этом месте космонавт мог бы поднять большой палец и закрыть им всю нашу планету. Вот мы пролетаем мимо планет Солнечной системы. Если бы вы правда были где-то там в космической капсуле, вам наверное, было бы довольно одиноко.

Чем дальше от Земли (нашей точки зрения), тем сильнее созвездия искажаются. Дальше в фильме мы видим галактику Млечный Путь и пару соседних галактик. Здесь в кадре вы видите странное пятно, потому что этот кусок космоса еще не нанесен на карту. Не то чтобы там ничего не было, мы просто еще туда не заглядывали. Позвольте напомнить, что все эти красивые огоньки – реальные космические объекты. Каждая крохотная точка в ролике – целая настоящая галактика.

И вот мы добрались до того момента в фильме, где кончается обозримая вселенная, тут мы видим реликтовое излучение Большого взрыва – фон из начала времен в самом буквальном смысле слова. И затем наш фильм возвращает зрителя домой, чтобы он не чувствовал себя таким крохотным и незначительным.

Чтобы собрать эту видеомодель, мы использовали результаты исследований огромного количества людей. И хотя это даже не приближается по сложности к построению модели молекулы ДНК, это все равно довольно впечатляющая работа. У нас на руках так много галактик, что в нашей модели приходится делать что-то вроде импрессионистского рисунка, чтобы показать их. Позже я покажу вам иллюстрацию качеством похуже, на ней видны полмиллиарда звезд, положение которых нам точно известно. И мы не останавливаемся. По моим представлениям (они несколько отличаются от прикидок других ученых) примерно у 1 % звезд в нашей галактике есть скалистые планеты среднего размера в «обитаемой зоне». Это от двух до четырех миллиардов планет – по одной на каждую земную семью.

Конечно, нужно упомянуть, что в нашем ролике мы превысили скорость света, потому что проделали путь до края вселенной и обратно всего за три с половиной минуты. Еще стоит отметить прекрасную музыку, что звучит в нашем фильме. Брайан Мэй, присутствующий тут, скажет вам, что как бы ни была хороша картинка, правильная мелодия куда более эффективно провоцирует эмоции. Поэтому в нашем ролике музыка куда лучше, чем в фильме «Контакт». Забавно, вроде бы профессионалы должны были понимать лучше нас, как важен звук.

Так вот, когда вы видите карту, созданную моей командой, вы видите не просто карту вселенной, но карту времени и пространства, следующую по специальной штуке, которая называется «световой конус» (но на самом деле это световая сфера).

Как мы это сделали? Немалую часть своей жизни я потратил на составление карты той, самой далекой излучающей поверхности. Мне невероятно повезло, потому что на моем веку произошло научное событие, позволившее делать то, что я делаю, гораздо эффективнее. Все началось со спутника COBE, тогда мы впервые зарегистрировали флуктуации. Затем появился аппарат WMAP, а в мае 2009 года мы запустили спутник Planck.

Некоторые люди здесь, на Тенерифе, и в других частях Испании вовлечены в этот проект. И мы делаем карты, которые все лучше и лучше показывают эти не только крошки галактик и их скоплений, но и другие космические объекты. Эти карты также дают нам много информации о том, из чего сделана вселенная, какова ее структура. Чуть позже я кое-что объясню о том, как были созданы пространство и время. Вы увидите это своими глазами.

Приближается 50-я годовщина открытия фонового реликтового излучения. Почти 50 лет назад Пензиас и Вилсон случайно обнаружили избыточную шумовую температуру. Если бы тогда у них была возможность просканировать весь небосвод, у них получилась бы карта, похожая на ту, что вы видите. По большом счету вы видите только нашу Галактику (горизонтальная линия посередине), а остальное – однородное диффузное свечение самой вселенной. Дело в том, что длина волны реликтового излучения увеличивалась по мере расширения вселенной, поэтому наш Млечный Путь получился таким ярким на этой картинке.

Рис. 1. 50 лет эволюции наших представлений о вселенной – от времени обнаружения реликтового излучения до получения данных с аппарата WMAP

И вот, у нас появилась обсерватория COBE, ее разрешение и чувствительность оказались в 10 000 раз выше, чем у предшествовавших приборов. Мы увидели Галактику, рассекающую полученное изображение надвое. Увидели большие структуры – скопление теплых областей и горячих областей – эти структуры, как нам удалось доказать, появились, когда вселенная была еще очень молода. Если провести аналогию с человеческой жизнью, то это были бы фотографии, сделанные 12 часов спустя после зачатия.

Затем мы построили аппарат WMAP с куда более высоким угловым разрешением – и стали дальше наблюдать за этими устойчивыми горячими и холодными областями. Но теперь мы видим их куда лучше, это позволяет нам определить, сколько там вещества (из которого состоим и мы с вами). Вскоре мы опубликуем карту еще лучшего качества, сделанную спутником Planck. Так что у нас есть все более и более точная картина эдакого «эмбриона вселенной» – при том, что получаем мы ее из самой далекой (и, соответственно, самой большой) сферы пространства-времени.

Итак, в 1992 году у нас была очень грубая и примерная карта, в 2003-м – карта получше, и вскоре у нас будет карта Planck. У нас есть также два больших наземных телескопа: Атакамский космологический телескоп высоко в Андах и еще один на Южном полюсе; они тоже составляют изображения микроволнового излучения с очень высоким разрешением.

Зачем мы все это делаем? Потому что это дает нам очень много очень детальной информации. Мы можем понять, что происходило во вселенной в невероятно древние времена, и сейчас мы понимаем и видим это так хорошо, что можем различать не только последствия событий, но и последствия последствий. Это позволяет нам распределить явления в хронологическом порядке: посмотреть, как одно приводит к другому, подтвердить или опровергнуть наши предположения.

Итак, у нас есть некая история. Вместо концентрических сфер, о которых мы говорили раньше, теперь представьте объем, похожий на корзину для бумаг (см. с. 3 вклейки). Дело в том, что если я хочу наглядно показать вам время, то придется пожертвовать одним из измерений пространства, поэтому вы видите двухмерное изображение. «Сфера настоящего» обозначена окружностью справа, и если отправиться назад во времени (налево), то, как мы считаем, в конце концов мы окажемся там, где все пространство было сжато в точку размером меньше атома – тут очень важна была квантовая механика, связанная с очень маленькими величинами. Квантово-механические флуктуации потом становятся галактиками, скоплениями галактик и всем остальным. Это невероятно захватывающе – вначале у нас вот эта крошечная область, которая затем превращается в прекрасную галактику.

Далее мы движемся слева направо через эпоху, когда вселенная стала прозрачной для излучения, которое дошло и до нас – именно его мы так четко зафиксировали. Потом наступают космологические Темные века, в которых нет ярких источников света. И, наконец, наступает нынешняя эра, формируются звезды и галактики, а через какое-то время и наша Солнечная система.

Но мы наблюдаем и довольно странные вещи. Мы думаем, что вселенная быстро расширялась на ранних стадиях, затем все замедлилось в эпоху активного формирования вещества, а примерно пять миллионов лет назад темп расширения снова стал расти.

Поэтому мы и тратим столько сил, времени и огромные суммы денег на изучение реликтового излучения. Три спутника за 30 лет – это баснословные средства. Зато у нас есть карта молодой вселенной. Только примерно через 380 тысяч лет после своего рождения вселенная стала прозрачной, и кажется, что это очень-очень долгий срок. Но не будем забывать, что возраст вселенной составляет около 14 миллиардов лет.

Чем еще мы занимались в последнее время? Мы запустили проекты по составлению карты галактик. Первым нашим детищем стал проект Слоановского цифрового обзора (Sloan Digital Sky Survey) – исследование звезд и галактик с помощью широкоугольного телескопа в обсерватории Апачи-Пойнт (штат Нью-Мексико). На рисунке 2 вы видите карту миллиона галактик в форме эдакого веера или мельницы. Дело в том, что наша собственная галактика блокирует часть излучения. Но, к счастью, Земля вертится, поэтому можно сделать фотографию, затем планета поворачивается, и можно сделать еще одну фотографию, и тут уже можно наносить галактики на карту, вычисляя их положения. И нам нужно вычислить расстояние до определенной галактики, а затем его же в другой плоскости, и так получается очередной «веер».

Рис. 2. Слоановский цифровой обзор.

В Интернете можно легко найти вращающуюся версию таких изображений, и это просто удивительная картина, потому что каждая точка на фотографии – это галактика. Кажется, что галактики расположены случайно, но это не так – на карте можно заметить очень сложный паттерн, который постоянно всех озадачивает. Эту структуру назвали «Великой стеной Слоуна», и она выглядит как длинная цепь галактик, составляющая, может быть, около миллиона галактик. Этот комплекс сверхскоплений галактик простирается более чем на миллиард световых лет – действительно Великая стена.

Перед нами встает следующий вопрос – кто и как построил эту Великую стену? Ответ таков: мы считаем, что вселенная была запрограммирована на это с самого начала.

На рисунке 3 представлен вид на эти галактики, снятый конкурирующим европейским проектом «Исследование красного смещения в двухградусном поле» (Two-degree Field (2dF) Galaxy Redshift Survey). Здесь показано около миллиона галактик, и вы можете заметить нетипичные цвета и формы, потому что мы составляем каталог галактик, в котором есть фотографии, спектральный тип и подобные характеристики каждой галактики.

Рис. 3. Продукт проекта «Исследование красного смещения в двухградусном поле».

Все это немного хаотично, потому что делается в рамках добровольного научного проекта Galaxy Zoo: любой человек может загрузить себе на компьютер изображение галактики, проанализировать его и написать доступный всем участникам комментарий. Кстати, создатели «Галактического зоопарка» провели любопытное исследование, которое призвано было ответить на вопрос – вращаются чаще галактики слева направо или справа налево, а также выявить ошибки «человеческого фактора». Оказалось, что люди гораздо чаще классифицируют галактики как вращающиеся по часовой стрелке, но только потому, что так устроен человеческий мозг. Даже если показать человеку нормальное изображение, а затем отзеркаленное, он все равно скажет, что «обе» галактики вращаются слева направо.

Еще одна из вещей, которыми я занимаюсь – исследовательский проект BigBOSS, расширенная версия проекта «Спектроскопический обзор барионных осцилляций» (сокращенно BOSS). Этот проект нацелен на измерение скорости расширения вселенной. Недавно нам разрешили использовать для этого проекта четырехметровый телескоп обсерватории Китт-Пик. Мы поставили себе цель изучить 5 миллионов галактик. Пять миллионов – это неплохо, но не забывайте, что всего галактик 100 миллиардов, поэтому я все время подзуживаю коллег сделать еще больше. Мы спорили о том, как много мы можем себе позволить, и я настаивал на цифре в 50 миллионов. Мне ответили, что можно рассмотреть 20 миллионов галактик и еще миллион квазаров.

Теперь взгляните на рисунок 4. Вы увидите переплетенные линии, и на конце каждой из них – квазар. Если сделать хороший снимок этого квазара и провести спектроскопию, то можно увидеть, как свет поглощается формирующимися галактиками. То, что вы видите, называется «Лес лайман-альфа» («Lyα-лес») (ряд линий поглощения в спектрах далеких галактик и квазаров), и это явление помогает нам понять, что происходило во вселенной сразу после темных веков и что может произойти в будущем.

В год можно исследовать где-то миллион галактик, если вы работаете очень эффективно. Именно поэтому мы стараемся измерять спектры тысячи галактик за раз. Для этого нужно построить огромную тарелку телескопа и просверлить отверстия в конкретных местах (где находятся нужные нам галактики). Получается, что перед этим нам надо точно узнать, где же эти галактики находятся. Затем приходит парень с оптоволоконным кабелем и подключает его к каждому отверстию. Потом все ставится на свое место, оптоволокно присоединяется к спектрографу и на выходе мы сразу получаем спектры всех галактик.

Рис. 4. Лес лайман-альфа.

Моя команда проделывает всю эту работу в коллаборации с учеными из Франции и Испании. Мы действительно похожи на путешественников эпохи Великих географических открытий, мы пытаемся нанести мир на карту. Если мы будем действовать в соответствии с законом Мура, то сможем зафиксировать всю вселенную за 50 лет. Хотя, конечно, придется поломать голову, чтобы уместить в одно изображение не 5000 галактик, а 50 000, а затем 500 000. И мы движемся ко второй цифре.

Волны в ранней вселенной (барионные акустические колебания) повлияли на вариации температуры реликтового излучения. По мере расширения вселенной эти колебания преобразовались в крупномасштабные вариации плотности газа – место зарождения первых скоплений галактик. Давление света в молодых звездах так велико, что обыкновенное вещество отбрасывается на огромное расстояние (около 450 мегапарсек), но темная материя остается на месте (так как не учавствует в электромагнитном взаимодействии) и притягивает обратно часть обычной материи, но другая часть остается вдали и становится основой будущих галактик.

Так что эти большие сгущения размером примерно в один градус можно наблюдать на небе. Если посмотреть на карту, составленную в рамках Слоановского обзора, станет ясно, что вокруг этих сгущений чуть больше галактик, чем должно быть. И мы можем измерить расстояние – прямо как линейкой – от этого сгущения до новых галактик и так понять, насколько сильно расширилась вселенная со времени их формирования.

Мы можем измерить, как меняется со временем вселенная, как быстро она расширяется, как быстро формируются новые галактики. И так мы сможем различить эффекты, возможно, производимые темной материей или модифицированной гравитацией или чем-то еще. Так что работы у нас много.

Команда проекта BOSS занимается также созданием моделей. Мы задаем (в компьютерной симуляции) небольшие колебания микроволнового излучения, позволяем гравитации работать в течение нескольких миллиардов лет и начинаем видеть формирование странно выглядящих структур. Они не появляются случайно или внезапно, они имеют определенную форму – похожи на длинные нити. Сначала мы видим маленькие горячие точки, а затем видим, что горячие точки связаны между собой. Дело не в том, что они не были связаны раньше, просто требуется время, чтобы связи развились и в итоге сформировали нечто вроде сетки. Это своего рода космическая сеть, и все это делает простая и привычная нам гравитация. А в гравитационном взаимодействии, как нам известно, может проявляться эффект темной материи.

Наши симуляции позволяют предположить, как вселенная выглядит сегодня (ведь непосредственно мы наблюдаем только то, что происходило миллионы лет назад). Издалека все выглядит достаточно однородным, но если приблизить, то картинка больше всего будет похожа на изображение биологической системы. Вы вновь увидите нити, а на их пересечении – разных размеров скопления галактик. Ширина нашей модели – три миллиарда световых лет, и, как я сказал, в таком масштабе все выглядит одинаково, но при приближении становится похоже на сеть нейронов или что-то в этом роде. Видны волокна и пустоты между ними.

Гравитация искривила то, что без нее было бы достаточно равномерно-одинаковым пространством. Гравитация добавила много острых углов. Забавно, что мы на Земле не только не в центре нашей Солнечной системы или нашей Галактики – мы даже не входим в большое скопление галактик. Наше скопление – так, пустячок. Если бы мы находились в крупном скоплении, на нашем небосводе было бы видно множество соседних галактик. Жизнь в центре скопления галактик похожа в этом смысле на жизнь в мегаполисе.

Преимущество, которое есть у создателя модели, или у физика, или у Бога, – возможность менять масштаб, смотреть на большую картину. Изнутри кажется, что наша Галактика почти бесконечна, но мы знаем, что она – лишь малая часть куда большей структуры. Карты, вроде тех, что делаем мы, помогают это осознать.

Итак, мы создали модель, которая позволяет не просто выглянуть из своего уголка в большой космос, но и посмотреть на те миллиарды лет, что прошли до появления людей с их телескопами.

Вот снимок спутника COBE – немного сглаженный, и из него вычтена модель галактики. Изображение немного сглажено, чтобы было лучше видно крупномасштабные структуры. А теперь взгляните на снимок, полученный по данным WMAP и Planck и сглаженный до того же разрешения (рис. 5).

Рис. 5. Слева – данные радиометра для измерения анизотропии яркости реликтового излучения COBE, справа – WMAP и Planck.

А вот карта Земли. Заметно, как сильно эти изображения отличаются друг от друга. Вы видите эти длинные белые линии – границы континентов, Атлантический хребет, различные объекты на юге Тихого и Индийского океанов. Эти ярко выраженные линии мы видим потому, что формирование Земли было сложным и нелинейным процессом.

Если вы снова взглянете на карту космического реликтового излучения, вы увидите горячие и холодные области, но ничего похожего на белые линии на Земле. Это значит, что процесс, механизм создания пространства-времени был куда проще и последовательнее. И для нас это отлично.

Мы можем сказать с некоторой долей уверенности, что процессы возникновения пространства и времени достаточно просты. Это дает нам надежду на то, что мы сможем их описать и просчитать. Наша работа противоположна в этом смысле изучению биологической жизни – чем дальше мы смотрим, тем проще все становится.

Еще мы собрали из кусочков (изображений, полученных в основном со спутника ЕКА «Гиппарх») карту ближайшего к нам полумиллиона звезд. И вновь перед нами импрессионистская картина, десятки тысяч звезд (в каждой галактике их примерно 400 миллиардов).

Мы также создали модель Местной группы галактик: можно начать с нашего Млечного Пути и двигаться дальше и дальше от него, пока не увидишь нашего ближайшего соседа. К этому моменту уже можно закрыть всю нашу Галактику большим пальцем руки. Едем дальше, двигаемся быстрее – помните, что до ближайшего соседа нам лететь два миллиона лет. Теперь вы начинаете замечать красные точки – очень яркие галактики, их можно видеть с большого расстояния, как и квазары. Обычные галактики с такого расстояния не видны.

В ближайшем будущем нам хотелось бы увеличить детализацию в 10–50 раз и нанести на карту хоть сколько-нибудь заметную часть объема вселенной. Интересно, что нам предстоит решить сначала, что будет единицей масштаба – расстояние, время или что-то еще. В итоге мы хотим нанести все на карту и посмотреть, насколько она соответствует нашим ожиданиям и представлениям о создании и формировании вселенной.

В начале Земля была трудным и опасным местом. Купавшаяся в прохладных лучах молодого Солнца и водах, покрывавших почти всю ее поверхность, ранняя Земля подвергалась бесчисленным ударами планетоидов, астероидов и комет, пронизывавших внутреннюю часть Солнечной системы. Однако примерно 3,8 миллиарда лет назад, после так называемой Поздней тяжелой бомбардировки, ситуация на молодой планете стала налаживаться.

И в один прекрасный день это случилось. Где-то в бульоне земных океанов атомы устроили эту штуку, потому что они делают такие вещи. Притягиваемые электрическими зарядами в специфические конструкции, в среде, богатой водородом и кислородом, возможно, поначалу только вблизи глубоководных гидротермальных трубок, атомы собрались вместе и сформировали аминокислоты, белки и в конце концов – ДНК и РНК. С этого момента за дело взялась эволюция. Молодой планетный мир – поначалу глубоко враждебное обиталище – породил жизнь через миллиард лет после того, как сгустилась сама планета.

С момента своего появления, по меньшей мере 3,4 миллиарда лет назад, жизнь преобразовала Землю, продвигая ее по новым эволюционным направлениям. Но случилось это не вдруг. Первые полтора миллиарда лет жизнь на Земле была представлена только прокариотами, примитивными микробами, лишенными клеточного ядра. Со временем, однако, наращивание кислорода в атмосфере Земли привело к заметным изменениям. За последние полмиллиарда лет климат Земли и набор живых организмов, населяющих ее, претерпели колоссальную перестройку. За последние 5 миллионов лет или около того появились млекопитающие, и на сцену вышли люди. Наши ближайшие предки эволюционировали в течение последних 2 миллионов лет и около 100 000 лет назад стали Homo sapiens. И вот они мы.

Все известная нам доныне жизнь во всей вселенной пока что существует только на нашей крошечной планете Земля. И мы все – продукты вселенной, от микробов до деревьев, пчел, лошадей, котов, барсуков и людей. Атомы, которые составляют нас, родились в кипящих утробах массивных звезд и были выброшены далеко в глубины космоса. Наша планета, дающая дом существам, которые ползают по ее поверхности, плавают в ее океанах – лишь один пример из огромной вселенной, которая содержит как минимум 50 тысяч миллиардов миллиардов звезд. Любая из них (или все они?) могла бы иметь планеты, пригодные для развития химии жизни.

Тем не менее этот единственный пример невероятен, почти чудесен по своей природе. Вселенная снабдила нас невероятной способностью воспринимать, чувствовать, размышлять, при том, что рождены мы из атомов, вышедших из реакторов ядерного синтеза. И число разумных людей, живших на планете, поразительно. Согласно большинству оценок, по меньшей мере 108 миллиардов человек когда либо жили на Земле. Во времена Древнего Рима население Земли составляло 300 миллионов, достигло полумиллиарда к Эпохе Возрождения, перешло отметку в 1,5 миллиарда в начале XIX века, а сейчас достигло 7 миллиардов. Это изобилие жизни поразительно, поскольку, как все мы понимаем, жизнь сама по себе всегда балансирует на грани смерти.

Хотя история жизни на Земле – это почти чудо, в ней есть глубокий подтекст грусти, неисполненного обещания. Карл Саган говорил мне, что 99 % людей рождаются, проживают свои жизни и умирают, не осознавая своего места во вселенной. И похоже, что со временем эта ситуация не особенно улучшается.

Позвольте мне использовать в качестве примера свою работу. Журнал Astronomy, крупнейшее в мире периодическое издание по своей теме, с аудиторией примерно 100 000 человек в печатном виде и ежемесячной аудиторией в 400 000 уникальных посетителей на веб-сайте. Помимо этого, журнал активен в социальных сетях и имеет 1,2 млн подписчиков на Facebook и более 67 тыс. в Twitter, а также в Google+. Это хорошие цифры, даже впечатляющие, но за ними не видно, как постарел активный интерес к астрономии, который был таким явным у предыдущего поколения. Демографические данные показывают, что наша аудитория стареет, и зачастую переклички на «звездных вечеринках» показывают, что в США одни и те же люди приходят на эти наблюдения ночного неба в течение 10 или 15 лет. Где же молодое поколение?

Кажется, что перед молодыми людьми, готовыми заинтересоваться серьезными научными вопросами, возникло немало препятствий – по крайней мере в Соединенных Штатах, если не по всему миру. С одной стороны, реальность уже не кажется молодым людям настолько важной, как это было раньше. Когда я был молод, реальные вещи значили намного больше фантазий. Сейчас вы можете выйти на улицу и показать детям северное сияние, сияющее и ярко переливающееся в небе, и это их увлечет на, скажем, пять минут. А после этого, слишком часто, они возвращаются под крышу, вынимают Xbox 360 и взаимодействуют с бессмысленным виртуальным миром. Чего так можно достичь, в конце концов? Эй, я не прочь повеселиться, но веселья получается многовато по сравнению с изучением реальных вещей в реальной вселенной, которое пригодилось бы детям в будущем.

Этот вызов не становится проще из-за произошедшего за последние несколько поколений резкого увеличения засветки. Полтора века назад каждый потенциальный астроном видел ночное небо, созвездия, сияющие звезды, светящуюся полосу Млечного Пути, может быть даже несколько звездных скоплений и необычных туманностей. Конечно, тогда люди были в курсе движения планет и небесных циклов и понимали, что являются маленькой частью всего этого. Сейчас же многим, скорее всего, большинству детей очень сложно увидеть приличное темное небо, даже если они очень хотят этого.

Кроме того, псевдонаука, доктринерство и чепуха процветают в нашей культуре. Теперь у нас есть духовные вожатые, группы центрирования для беременных, мастерские сновидений, биоэнергетика, энергия пирамид, первичная терапия, инверсионные качели, ароматерапия, медитации синхронизации, гармоническая синергия волн мозга и психокалистеника. Недавний опрос показал, что три из четырех американцев верят в настоящих ангелов. А что зомби, гоблины, вампиры, кракены, медузы, лепреконы, баньши, кентавры, джинны и эльфы? Почему про них так мало пишет пресса в наши дни? Рекламщики слабые?

Вдобавок к этому, мы сейчас живем в культуре, где все погружены в сплошной поток развлечений. Я люблю кино, телевизор, спорт, музыку и все такое не меньше других, но для многих вездесущее веселье и развлечения перенасыщают жизнь, в некоторых случаях выталкивая из реальности в нереальность. Я насчитал 253 канала в своем телевизионном пакете, и я вам точно говорю, что смотрю очень немногие. Но сотни каналов – это норма, и это удерживает многих людей от того, чтобы делать еще что-нибудь, кроме как откинуться и позволить этому всему течь через них вечер за вечером.

В Соединенных Штатах это олицетворяет так называемое «телевидение реальности», которое, насколько я мог увидеть, гораздо дальше от естественной реальности, чем можно себе представить. Выбирайте из Duck Dynasty, Amish Mafia, The Undateables, Dog the Bounty Hunter, American Ninja Warrior, Ghost Hunters или I’m a Celebrity. . Get Me Out of Here! несомненно, это обогатит вашу жизнь намного больше, чем знание того, что на самом деле происходит во вселенной вокруг вас.

Отрывочность информации, которую сообщает телевидение, не имела бы большого значения, но именно оттуда большинство людей получают новости о мире и именно через него контактируют с наукой, если вообще делают это. Те, кто заявляет о своей заинтересованности наукой, тоже имеют свои возможности в великом электронном потоке кабельного ТВ. В США Science Channel, Discovery Channel, The Learning Channel, National Geographic Television и другие предлагают то, что они воспринимают как науку большого калибра.

Не чтобы придраться к одной сети, а просто для примера, посмотрим на Science Channel. Их руководство утверждает, что астрономия и космос – самая популярная отрасль науки и составляет до 50 % экранного времени в прайм-тайм. Их фирменная серия – «Сквозь кротовую нору» (Through the Wormhole) с Морганом Фрименом, а кроме того, они показывают несколько других сериалов, связанных с астрономией и космосом или, по крайней мере, затрагивающих астрономию как смежный вопрос, в том числе: «Одни ли мы?», «Встречи с инопланетянами», «Поразительные случаи в науке», «Чудеса вселенной» и «Как работает вселенная».

Конечно, я знаю, что телевидение гонится за рейтингами. Дадим им возможность зарабатывать на человеческих сомнениях и оставим в покое инопланетян. Это им можно. Когда за рулем рейтинги, всей этой чуши про НЛО не избежать. Но посмотрим на то, что они считают своим мейнстримным, сбалансированным материалом, подаваемым без журналистской предвзятости.

Мне нравится Морган Фримен как актер и как пропагандист музыки в стиле блюз в своем замечательном клубе в Кларксдейле, Миссисипи. Но в его шоу на канале «Наука» я далеко не влюблен. Среди охваченных в нем тем были «Есть ли жизнь после смерти?», «Существует ли время на самом деле?», «Есть ли шестое чувство?», «Как выглядят инопланетяне?», «Можем ли мы двигаться быстрее света?», «Можем ли мы воскресить мертвых?», «Реальна ли реальность?», «Думает ли океан?» и «Возможен ли зомби-апокалипсис?»

Морган, будь благословен за фильмы и за музыку. Но это шоу по своим темам и по тону – псевдонаука, а не наука.

Многие из тех, кто работает в астрономии, возлагали большие надежды на второе пришествие «Космоса» – шоу, запущенного весной 2014-го и продолжившего оригинальное шоу Карла Сагана, которое показывали в 1980 году. Проект, скорее всего, не имел бы такого успеха без поддержки Сета Макфарлана, который выступил в роли исполнительного продюсера. Материал написали вдова Карла Энн Друян и Стивен Сотер, рассказчик – Нил Деграсс Тайсон из Американского музея естественной истории. Серия из 13 передач поначалу заставила нас предвкушать рассказы о многих областях астрономии, астрофизики, планетологии и космологии, которые расцвели или были полностью переписаны за 34 года, прошедшие с первого эфира «Космоса».

Казалось, что рейтинги «Космос: Одиссея в Пространстве и Времени» (Cosmos: A Spacetime Odyssey) вполне хороши. Они начались с 8 миллионов зрителей в Соединенных Штатах, нарастали с каждым новым эпизодом и, как утверждалось, стали расти еще быстрее, когда шоу начали показывать в других странах. «Космос» в целом был очень хорошо написан, и Нил, как всегда, прекрасно выступал в ролях ведущего и рассказчика. Я большой его поклонник во всем, что он делает, и я обожаю Энни, поскольку у меня были близкие отношения с Карлом Саганом, оказавшим огромное влияние на мой выбор астрономии как призвания.

Но должен сказать, что я был несколько поражен выбором тем нового шоу, принимая во внимание громадный объем новых астрономических данных, которые были собраны за последние десятилетия и даже после смерти Карла в 1996 году. Многие были удивлены тем, что шоу в основном сосредоточено на истории и рассказывает вдохновляющие биографии отдельных ученых, рассказывает об их жизни и открытиях, но дистанцируется от новых данных.

Мои коллеги по журналам Astronomy и Discover проводили еженедельные онлайн-совещания, обсуждая каждый из эпизодов. Уже в середине сериала мы были поражены уклоном в историю и другие околонаучные вопросы, непосредственно не относящиеся к астрономии. Но тем не менее мы продолжали смотреть. И только в заключительном эпизоде при изучении вопросов о темной материи и темной энергии зашла речь о большой современной космологии. Очевидно, создатели «Космоса» хотели побудить новое поколение зрителей к научному мышлению, подать науку как образ жизни, а возможно, даже представить науку как захватывающую карьеру. Но, по мнению многих, они упустили возможность обсудить новейшие, самые интересные открытия, сделанные за последние годы в науке о космосе.

Что еще удивляет меня в телевизионной астрономии, даже в таких тщательно подготовленных программах, как «Космос», это не только выбор тем, которые зачастую далеки от потока новых, удивительных и важных сведений, получаемых в нашей области, но и почти неудержимое сползание в сторону невозможного и маловероятного, цель которого – сделать подачу максимально завлекательной в ущерб реальности. Например, Нил Тайсон фактически произнес фразу «Никто не знает, что внутри черной дыры – она может содержать целую вселенную».

Нет, черная дыра не может содержать целую вселенную. Остановитесь. Пожалуйста, ограничьтесь известными нам фактами. Я бы немедленно отправил любого, кто так говорит, прямиком в кабинет Кипа Торна.

В эпизоде о глобальном потеплении с гордостью утверждается, что Венера в ранней своей истории очень напоминала Землю и имела прелестные и густонаселенные океаны, а потом что-то пошло совсем не так по причине глобального потепления, вызванного избытком диоксида углерода, и сейчас это адское место, и надо бы нам сделать выводы. Но никто не знает, были ли на ранней Венере океаны. На планете из-за вулканической активности появилась суша примерно три четверти миллиарда лет назад, поэтому свидетельства об океанах в первые два миллиарда лет венерианской истории практически утрачены. Остались только незначительные указания на это в виде соотношения водорода и дейтерия, да и это разве что намеки. К тому же на Венере глобальное потепление должно было быть вызвано водой, а не углекислым газом.

Конечно, далеко не все новости плохи. Просто подумайте о том, что произошло за последние 20 лет и что дало нам столько интереснейшего материала, которым стоит поделиться с другими человеческими существами. Это совершенно поразительно. Фактически, то, что случилось за последние несколько лет – это революция в нашем знании и нашем мышлении.

Астрономическая революция начала XXI века предоставляет нам широкий набор тем, которыми можно поделиться с публикой. Им нужна смерть и драма? Мы теперь отчетливо понимаем, как будет происходить одно из важнейших событий в нашем будущем – как умрет Солнце. Солнечная система находится в середине своего жизненного пути, ее возраст – около 4,6 миллиарда лет. Солнце – это, конечно, реактор, где идет термоядерный синтез, и когда через 5 миллиардов лет закончатся элементы для синтеза, оно станет красным гигантом, раздувшись и поглотив ближние планеты. После стадии красного гиганта Солнце трансформируется в планетарную туманность, кокон светящегося газа, окружающий мертвое Солнце, которое к тому времени станет сгустком углерода размером с Землю и массой около 50 % начальной массы.

На этой стадии Солнце будет ослепительно ярким, и углерод из его атмосферы станет оседать на богатое углеродом ядро. Остатки гелия, горящие вместе со звездой, будут выброшены из внешних слоев звезды в окружающий космос и образуют планетарную туманность. Планетарные туманности преобразуют газ от множества обычных звезд в новое поколение звезд, когда в конце концов они сжимаются в молекулярные облака, которые под неизбежным воздействием гравитации вспыхивают новорожденными звездами.

Так же, как мы можем предсказать отдаленное будущее Солнца, мы можем сказать, что случится с жизнью на Земле. Простая логика говорит, что раз Солнце находится посередине своего пути, жизнь на Земле тоже прошла половину своего срока. Это представляется разумным предположением, но на самом деле, это совсем не так.

Фактически наиболее ранняя известная нам жизнь на Земле возрастом 3,4 миллиарда лет обнаружена в горной формации Стрелли-Пул в Западной Австралии. Исследователи нашли там микроокаменелости в 2007 году и опубликовали результаты в 2011 году. Обнаруженные в Стрелли-Пул примитивные бактерии питались серой и были найдены в песчанике, из которого несколько миллиардов лет назад был сформирован мелководный пляж или устье.

Теперь мы знаем, что Солнце – звезда переменной яркости и общий уровень его излучения со временем постоянно увеличивается. Недавние исследования показывают, что за куда более короткий срок, чем представляли раньше – за миллиард лет или даже 800 миллионов, излучение Солнца усилится до того, что океаны на Земле вскипят. На этой отметке жизнь на Земле завершится. Зная, что жизнь на Земле существует уже по крайней мере 3,4 миллиарда лет, можно сказать, что история жизни на Земле написана уже на 80 %. Мы находимся уже в завершающих главах приключений жизни на нашей планете.

Луна – прекрасное место для приложения страсти начинающего астронома-наблюдателя. С нашим единственным природным спутником связано и немало увлекательных научных историй. Планетологи лишь за последние десятилетие взялись за исследование рождения Луны. Убедительные доказательства появились после изучения лунного грунта, доставленного на Землю астронавтами «Аполлона». Поначалу ученые были поражены результатами анализов изотопов кислорода в крошечных кристаллах из лунного грунта, поскольку изотопы оказались идентичны тем, что находят во многих скальных породах на Земле. В 1980-х и 1990-х свидетельства, добытые «Аполлоном», стали наводить на радикальный вывод, названный «Гипотезой большого столкновения». Эта история рождения Луны сейчас считается общепринятой и предполагает, что 4,6 миллиарда лет назад две планеты находились на нынешней орбите Земли и Луны. Протоземля имела от 50 до 90 % своего нынешнего размера и массы, и существовала еще одна планета размерами с Марс, которую астрономы сейчас называют Тея (в греческой мифологии – это мать богини Луны Селены). Планетологи считают, что 4,53 миллиарда лет назад Тея столкнулась с Землей, создав недолго прожившее облако обломков, которое вскоре сгустилось и стало Луной. Большая часть массы Теи слилась с мантией Земли. Куда делась Тея? Вы на ней стоите.

Будет справедливым сказать, что планетологи крайне увлечены Марсом, и публика любит слушать про Красную Планету. Сейчас это холодная и сухая планета. Как же Марс стал холодным и сухим из теплого и влажного? Есть ли в истории Красной Планеты уроки, важные для обитателей планеты Земля? Механизм, благодаря которому Марс нагрелся, пока до конца непонятен. Полагают, что существенный разогрев за счет цикла с участием парниковых газов – двуокиси углерода и воды – произойти не мог, потому что в ранний период существования Солнечной системы Солнце было для этого слишком слабым и холодным. Но, возможно, на раннем этапе Солнце было более энергичным, чем думают планетологи. Или, возможно, иные парниковые газы вызвали ранний разогрев Марса. А может быть, теплые периоды на Марсе происходили эпизодически в течение длительного периода времени и/или были локальными или региональными, а не всепланетными.

Другая странная загадка относится к нашей кузине Венере, которая не должна была бы сильно отличаться от Земли. Венера и Земля примерно одного размера, и у Венеры сложная климатическая система, но на этом сходство кончается. Венера – адское место с температурами, достаточно высокими для плавления свинца. Поразительным образом оказалось, что на Венере почти нет кратеров от столкновений с метеоритами. Обширные потоки лавы на ее поверхности говорят, что эта поверхность очень молода – может быть, ей всего 750 миллионов лет. Эта планета геологически вывернула себя наизнанку; у нее практически полностью новая поверхность. Почему? Что вызвало такое радикальное, всепланетного масштаба явление, которое изменило свойства целого мира?

Планеты в нашей Галактике это одно, а структура самой Галактики – другое, и она представляет собой загадку, не менее интригующую, чем любая загадка из телевизора. Важный шаг в картографировании Млечного Пути был сделан в 2005 году, когда астрономы из университета Висконсина использовали космический телескоп им. Спитцера (Spitzer Space Telescope) для проведения обзора GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Midplane Extraordinaire — Экстраординарный обзор инфракрасного излучения галактической плоскости). Эта программа точного картографирования галактики позволила впервые сфотографировать и каталогизировать 30 миллионов источников. Дальнейшие наблюдения, проведенные в 2008 году, показали, что Млечный Путь – это спиральная галактика с выраженной центральной перемычкой, двумя выраженными спиральными рукавами и несколькими более мелкими ответвлениями. Только за последние несколько лет мы узнали истинную структуру нашей Галактики.

В том же 2008 году мы узнали судьбу нашей Галактики. Гарвардский астроном Авраам Лёв и его соавторы изучили динамику галактик в нашей Локальной группе, которая включает наш Млечный Путь и ближайшую к нам спиральную галактику Андромеда. На большом масштабе расширение вселенной удаляет галактики друг от друга, но на меньших масштабах они часто движутся навстречу друг другу под действием гравитации и локальных течений. Через 4–5 миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда столкнутся и образуют гигантскую галактику в форме спутанного клубка, которую некоторые астрономы называют Млечномедой. Теперь судьба нашей Галактики ясна.

Однако многие вещи до сих пор остаются покрыты мраком. Еще в 1932 году для объяснения наблюдаемых орбитальных скоростей звезд в Млечном Пути голландский астроном Ян Оорт предположил, что в Галактике существует невидимое вещество. Годом позже швейцарский астроном Фриц Цвикки предложил ту же идею для объяснения «недостающей массы» галактик, обращающихся друг вокруг друга в скоплениях. Вскоре астрономы поняли, что во вселенной должна существовать так называемая темная материя.

Американский астроном Вера Рубин существенно продвинулась в исследовании темной материи, когда изучала вращательные скорости галактик в 1960-е и 1970-е. Мы до сих пор не знаем, что такое темная материя, но последние исследования в области наблюдательной космологии, выполненные со спутника Planck, и некоторые другие измерения говорят, что 26,8 % массы-энергии во вселенной существуют в форме темной материи.

Мало им было загадки темной материи, так в 1998 году астрономы, наблюдавшие далекие сверхновые звезды, полностью перевернули все представления о космологии. В тот год две группы исследователей, команда High-z Supernova Search Team («Поиск сверхновых на больших красных смещениях») и Supernova Cosmology Project («Космология с помощью сверхновых»), объединили усилия в наблюдении далеких сверхновых типа Ia. Взрывы таких звезд обладают характерной светимостью, величина которой известна. Наблюдения за ними принесли поразительные результаты. Было показано, что расширение вселенной само по себе со временем ускоряется. Это потрясающее открытие, удостоенное Нобелевской премии и определившее новый фокус космологических исследований, привело к осознанию, что расширение вселенной определяется темной энергией, природу которой нам еще предстоит понять.

В астрономии одни тайны появляются, а другие уходят. В 1982 году я начал работать в журнале Astronomy, был молодым редактором, и о черных дырах тогда еще только ходили слухи. Подтверждение существования черных дыр было получено только с запуском в 1990-е годы космического телескопа им. Хаббла. После наблюдений с помощью этого телескопа центров активных галактик, таких как М 87 в созвездии Девы, и многих других, свидетельства о черных дырах стали железобетонными. За последние несколько лет стало ясно, что все нормальные галактики, исключая карликовые, содержат в своем центре сверхмассивную черную дыру. В большинстве галактик эти черные дыры были весьма активны на ранних этапах жизни галактики, но, по мере того, как заканчивалось вещество, которым они «кормились», эти дыры затихали, впадали в своего рода спячку. Так происходит и с центральной черной дырой Млечного Пути.

Черные дыры весьма популярны у публики и успешно будят ее интерес, но иногда мы должны дать людям дозу грубой реальности: вселенная очень велика. Космические расстояния почти непредставимы по человеческим масштабам. От нашего ближайшего соседа, Луны, нас отделяет в среднем 384 000 километров. Солнце обычно находится на расстоянии 149,6 миллиона километров. Внешняя граница облака Оорта, оболочки из комет, расположенной по периметру нашей Солнечной системы, удалена от нас на расстояние больше светового года, это около 10 триллионов километров. Ближайшая к нам звездная система, альфа – проксима Центавра, отстоит на 4,2 светового года.

В масштабе вселенских расстояний и размеров содержатся важные для нас выводы, в частности, касательно вероятности развитой жизни во вселенной и наших шансах когда-либо узнать эту жизнь. Будем честными с собой, это главный вопрос. Одни ли мы в космосе? Насколько развита жизнь? Микробы? Цивилизации?

Если бы денег было вдоволь и мы могли бы построить самый высокотехнологичный на сегодня космический корабль и оснастить его, скажем, ионным двигателем, мы бы могли гипотетически долететь до ближайшей звездной системы, альфы – проксимы Центавра, примерно за 75 000 лет. Тут встречаются наука и научная фантастика. Логистика межзвездных путешествий ошеломляет. Как сложить в кладовку достаточное количество кексиков Твинки, чтобы хватило на 75 000 лет путешествия?

Тем не менее мы видим, что для жизни во вселенной есть масса удивительных возможностей. В экстремальной среде на Земле – подводные трубки, замороженные глыбы льда – мы видим невероятное, настойчивое и приспосабливающееся присутствие живых существ. Свидетельства о возникновении жизни на Земле говорят, что это случилось рано, началось или снова запустилось в тяжелейших условиях во время или сразу после Поздней тяжелой бомбардировки. Глядя на планеты в Галактике вокруг нас, мы видим многочисленные примеры миров, где могла бы присутствовать жизнь, и уже начинаем находить планеты размером с Землю.

Цифры нам неплохо известны. Галактика Млечный Путь содержит не менее 200 миллиардов, а может, и 400 миллиардов звезд (астрономы не знают точное число, потому что карликовые звезды, которых немало, светят слабо и на дальних расстояниях невидны). Мы знаем по меньшей мере 100 миллиардов галактик во вселенной. Примем в ближайшем приближении, что во вселенной 10 тысяч миллиардов миллиардов звездных систем – и это только видимая вселенная. Так что существует невероятно большое количество мест, где на планетах может существовать жизнь.

Можем ли мы быть единственной цивилизацией во вселенной? Очень трудно в это поверить. Однако нам известен лишь один такой мир. Сама по себе огромность масштаба расстояний во вселенной подсказывает, что даже если мы узнаем о других цивилизациях, мечта фантастов стоять рядом с существами с другого мира в Центральном парке и пожимать им руку вряд ли осуществима сейчас или в будущем. Как однажды сказал Карл Саган, вселенная может кишеть жизнью, но это может быть похоже на всего двух людей на Земле, один в Австралии, другой в центре Северной Америки. Каждый из них может прожить всю жизнь и так и не узнать, что существует другой.

Все эти активно развивающиеся направления исследований достойны того, чтобы их истории были рассказаны, чтобы мы, ученые, исследователи, музыканты, писатели, художники и жрецы известного нам космоса, рассказали другим человеческим существам правдивую и реалистичную историю вселенной. Мы можем сделать это. Мы можем преодолеть невероятно громкий белый шум чепухи, заполонивший наше общество, световое загрязнение, перекрывающее свет звезд, исправить поколение, которое поклоняется тривиальному и не обращает внимания на значимое. Но мы должны делать это вместе. Мы можем сделать это своими исследованиями, своими журналами, представлениями в планетариях, веб-сайтами и онлайн-презентациями в социальных сетях. Песнями, концертами и всем остальным, что впечатляет нас не только интеллектуально, но, что, возможно, важнее, эмоционально.

Думает ли вселенная о себе самой? Да, мы, рожденные в космосе, думаем. Но очень многим из нас на этой планете нужно понять, где мы и почему мы здесь. Это знание, которое может освободить всех нас и сделать нас цивилизацией, устремленной в будущее.

Нам потребуется вся доступная огневая мощь. Ставки высоки. Понимание и принятие вселенной, того, как она работает, – слишком важные вещи, чтобы упускать их. Как написал когда-то один из наших друзей, «этот мир бережет для нас лишь один сладкий момент[12]». И этот момент – сейчас.

Меня часто спрашивают, могут ли астрономы предложить науке и философии какую-то особую точку зрения? Я думаю, могут, и она состоит в понимании, что впереди – огромные промежутки времени.

Поясню. О невообразимой длине эволюционного прошлого сейчас знают все. Если вы живете не в Кентукки и не в некоторых мусульманских странах, вы понимаете, о чем говорит нам дарвинизм. Он говорит, что мы и наша биосфера – результат четырех миллиардов лет естественного отбора. Но многие почему-то думают, что мы – люди – кульминация этого процесса. Астроному это вряд ли покажется правдоподобным.

На самом деле, скорее всего, мы ближе к началу эволюции, чем к ее концу. Наше Солнце сформировалось четыре с половиной миллиарда лет назад. Топлива у него хватит еще примерно на 7 миллиардов лет, а затем оно стремительно раздуется, поглотив ближние планеты и уничтожив всякую жизнь на Земле. А расширяющаяся вселенная, возможно, будет существовать вечно. Как сказал Вуди Аллен, «вечность – это очень долго, особенно ближе к концу».

Скорее всего, Ньютон думал о космических путешествиях. Вот (рис. 1) знаменитая иллюстрация из его «Начал», на которой пушечным ядром стреляют с вершины горы. Он понимал, что ядро уйдет на орбиту, если выстрелить с достаточной скоростью – 25 000 км/час.

Это было невозможным до 1957 года, когда на орбиту вышел «Спутник», а потом мы увидели зарю космической эры – Юрия Гагарина, который на корабле «Восток 1» вышел на орбиту и совершил виток вокруг Земли.

Иллюстрация из «Начал» Ньютона.

Но высадки на Луне произошли более 40 лет назад, для молодых людей это древняя история. Если бы мы сохранили такую скорость развития и после «Аполлона», на Марсе уже давно были бы наши следы. Но космические полеты с людьми на борту зачахли и свелись к вращению вокруг Земли на орбитальной станции – некоторые из присутствующих проделывали это.

Однако автоматические зонды полетели ко всем планетам и ко многим спутникам планет нашей Солнечной системы. Роботы становятся лучше, и практический смысл отправки людей в космос сводится к минимуму. Тем не менее, многие из нас верят, что некоторые из живущих сейчас людей ступят на Марс, ради приключения и чтобы сделать первый шаг к далеким звездам.

Но если Китай не решится принять участие в захватывающем космическом представлении, эти миссии придется финансировать из частных источников. В этом случае придется экономить, и риски возрастут. Часть миссий окажутся билетами в один конец, а правительства западных стран не готовы подвергать гражданских лиц такой опасности. Тем не менее будет много добровольцев с теми же мотивами, что у ранних исследователей и искателей приключений вроде Феликса Баумгартнера, который совершил свободное падение со сверхзвуковой скоростью со стратостата.

Итак, уже до 2100 года могут появиться группы первооткрывателей, которые будут жить независимо от Земли, на Марсе или на астероидах. Илон Маск сказал знаменитую фразу, что хотел бы умереть на Марсе, но не от столкновения. Ему 44 года, и как мне кажется, он может успеть. Но помните, что в Солнечной системе нет места, где условия хотя бы настолько же благоприятны, как на вершине Эвереста или в Антарктике. От земных проблем не удастся сбежать путем массовой эмиграции в космос. Планеты Б не существует.

Кроме того, к 2100 году произойдут огромные прорывы в генетике и в кибертехнологиях. И какие бы этические ограничения мы ни накладывали на использование этих технологий, нам стоит пожелать удачи тем первопроходцам, которые смогут применить их для адаптации своего потомства к враждебной среде. В итоге, образование нового вида не потребует веков: начнется постчеловеческая эра. На самом деле, они могут перейти на полностью неорганический разум, путешествующий в Солнечной системе и сооружающий массивные объекты. Водянистые органические мозги ограничены в плане вычислительной мощности, и к этому пределу мы, возможно, уже подошли. Но для цифровых компьютеров и тем более для квантовых компьютеров таких пределов нет.

То есть новые люди появятся за несколько веков – мгновение по сравнению со временем дарвиновского естественного отбора, приведшего к появлению человечества. Или – еще точнее – менее одной миллионной доли от времени, ожидающего впереди. Так давайте подумаем о восхитительных вещах, которые могут случиться далеко в будущем. Даже если сейчас разум есть только на Земле, он не должен оставаться на обочине. Облеченный в тела самосовершенствующихся машин, он может распространиться далеко за пределы Солнечной системы за следующие эоны, миллиарды лет. Межзвездные путешествия, даже межгалактические путешествия не будут казаться ужасными для почти бессмертных существ.

Если какие-то существа увидят гибель Солнца через шесть миллиардов лет, они будут отличаться от нас как мы от жуков. Даже если Земля – уникальная колыбель жизни, в долгосрочной перспективе она может приобрести истинно космическое значение. Впрочем, вернемся к вопросу, одни ли мы, или там, снаружи, уже существует галактический клуб? Мы немного приблизились к ответу, потому что за последние 20 лет свершилась новая Коперникова революция.

Мы узнали, что звезды – не просто мерцающие огоньки. Мы узнали, что они – Солнца, каждое со своей свитой планет. В основном эти планеты наблюдают косвенно. Космический телескоп «Кеплер» регистрирует небольшое ослабление свечения, когда планета, находящаяся на экваториальной орбите, проходит на фоне звезды. Таким методом уже обнаружены многие сотни и даже тысячи планет.

Мы хотели бы обнаружить не только тени планет, но и сами эти планеты, а это труднее. Чтобы понять почему, представьте, что мы – инопланетяне, которые сейчас смотрят на Землю сквозь большой телескоп с расстояния, скажем, в 50 световых лет. Солнце будет выглядеть как обычная звезда, а Земля, по удачному выражению Карла Сагана, как «бледная голубая точка», расположенная очень близко к своей звезде, но светящая в миллиарды раз слабее.

Если бы инопланетяне могли изучить бледную голубую точку, они бы много узнали о ней. Оттенок голубого был бы разным, в зависимости от того, обращена ли к ним планета Тихим океаном или материковой частью Азии. Они могли бы сделать выводы о континентах и океанах, о длительности дня, о временах года и, возможно, кое-что об атмосфере и ее биологии. Пока мы этого не можем, но Южная европейская обсерватория строит в Чили телескоп, который, не мудрствуя, назвали Чрезвычайно большим телескопом. Его мозаичное зеркало будет иметь в поперечнике 39 метров. Кажется, это будет пошире нашего зала. И у этого телескопа будет достаточно разрешения и чувствительности для прямого наблюдения землеподобных планет у других звезд.

Что мы хотим знать, так это есть ли жизнь на таких планетах. Ответа мы не знаем, поскольку происхождение жизни на Земле от биохимии до первых размножающихся и метаболизирующих существ – все еще загадка. Причем простая жизнь может быть широко распространена, а разумная – намного уже. Но если мы сможем обнаружить любой сигнал из космоса, который будет выраженно искусственным – радиоизлучение, вспышки света от какого-нибудь небесного лазера или что-то подобное, это будет знаменательно.

Эти поиски стали шире благодаря российскому инвестору Юрию Мильнеру, который предоставил 100 миллионов долларов на ближайшие 10 лет, чтобы телескопы заглядывали глубже, чем раньше. Я бы дал шансам на успех в лучшем случае несколько процентов, но ставки настолько высоки, что игра того стоит. Мы должны быть благодарны г-ну Мильнеру за то, что он тратит свои деньги на это, а не на яхты или футбольные клубы. В поп-культуре инопланетян обычно изображают в целом человекоподобными, обычно на двух ногах, но иногда со щупальцами или глазами на стебельках.

Но скорее всего, мы обнаружим не таких инопланетян, даже если они прошли эволюционный путь, схожий с путем человека. Жизнь на других планетах могла бы развиваться быстрее или медленнее, чем здесь. Если она эволюционирует медленнее, мы не обнаружим ничего. Но если она развивается быстрее или это происходит на более старой планете, у которой было на миллиард лет больше, чем у Земли, она уже могла бы достичь постчеловеческого этапа. А я утверждал, что превращение плоти и крови в неорганический разум возможно всего за несколько веков. Если так, крайне маловероятно, что мы обнаружим инопланетную жизнь в органической форме.

В самом деле, описание инопланетян как чужой цивилизации может оказаться чрезмерно ограниченным подходом, потому что цивилизация подразумевает общество индивидуальностей. Напротив, инопланетяне могут оказаться единым интегрированным разумом, путешествующим в межзвездном пространстве. Расширим теперь наши горизонты до всего космоса, который со временем, в далеком будущем, станет достижим для новых людей. Смерть звезд не будет препятствием для них, как и столкновение нашей галактики с Андромедой. Это случится примерно через 4 миллиарда лет и будет выглядеть как столкновение поездов, но мы это переживем.

Остатки от слияния галактик будут существовать еще 100 миллиардов лет. Возможно, этого будет достаточно, чтобы достичь предельного разума, когда все атомы, которые были когда-то в звездах, станут частью одной обширной структуры, настолько же сложной, как живой организм или кремниевая микросхема.

Это вдохновляющая перспектива далекого, очень далекого будущего. Но мне хочется порассуждать еще, и тут я выставлю знак опасности. Возможно, предстоит революция, еще более драматичная, чем Коперникова: мультивселенная. На нее наводит простой вопрос – сколько всего существует пространств? Насколько велика физическая реальность? На этом снимке очень маленькой области пространства из обзора Hubble Deep Field – много, очень много галактик с миллиардами звезд и планет в каждой. Но все равно это конечное число.

Наши наблюдения, да и наблюдения будущих людей, ограничены своего рода горизонтом, сферой, размер которой определяется расстоянием, которое мог пройти свет со времени Большого взрыва. Но эта сфера имеет не больше смысла, чем горизонт, который вы видите, находясь посередине океана. Вселенная, созданная Большим взрывом, обозрима только в малой степени. Еще множество галактик может быть за горизонтом. Астрономы имеют основания подозревать, что существуют галактики, находящиеся как минимум в тысячу раз дальше нашего горизонта. Туда, где все возможные комбинации могут повторяться. Далеко за горизонтом у всех нас могут быть аватары.

Но это еще не все. Большой взрыв мог быть не единственным. Есть множество сценариев мультивселенной, и наша вселенная может оказаться лишь одним островом в громадном космическом архипелаге. Эта идея принадлежит Андрею Линде. Вот наша вселенная внизу справа (рис. 2). Она простирается далеко за пределы нашего горизонта, но это всего лишь остров, одна область пространства-времени среди многих других.

Это всего лишь одна из версий мультивселенной; есть еще одна. Представьте себе отдельные трехмерные пространства, вставленные в общее четырехмерное пространство. Как если бы муравьи ползали по двумерной плоскости и не замечали другую популяцию муравьев на параллельной двумерной плоскости, даже если бы их разделяло очень малое расстояние. Эта мультивселенная – все еще спекулятивная физика, поскольку у нас нет проверенной в боях теории, которая бы описывала исходную точку Большого взрыва.

Множество вселенных.

У физиков ХХI века есть два фундаментальных вопроса, упомянутых в этом дереве решений. Первый – было ли больших взрывов много, или все же он был один? Второй – если больших взрывов было много, все ли они управлялись одними и теми же законами физики? Многие теоретики думают, что нет. Они думают, что больших взрывов могло быть много, и каждый мог привести к миру со своей геометрией, со своими частицами, с взаимодействиями разной силы и так далее. Если так, могло получиться много мертворожденных или стерильных областей. Законы, по которым они существовали бы, не допустили бы того сложного устройства, которое привело к нашему появлению. А если так, вряд ли мы появились в типичной вселенной. Скорее, наша вселенная – тот нетипичный случай, в котором мог появиться наблюдатель. Это называется антропным отбором.

Перенесемся на 400 лет назад, в еще доньютоновские времена, к Кеплеру. Кеплер считал, что Земля уникальна, и ее орбита соотносится с орбитами других планет через красивые математические пропорции, связанные с пятью платоновыми телами. Теперь мы понимаем, что существуют квинтиллионы звезд, каждая с планетной системой. Орбита Земли особенна только тем, что она находится в пределах радиусов и эксцентриситетов, совместимых с жизнью, при которых вода может существовать, не закипая и не замерзая.

Возможно, мы появились благодаря аналогичному концептуальному сдвигу куда большего масштаба. Так же как Земля может быть особенной планетой среди квинтиллионов других, в гораздо большем масштабе, и наш Большой взрыв мог быть особенным. В этой широчайшей космической перспективе то, что мы называем законами вселенной, может быть просто местечковыми подзаконными актами, управляющими нашим кусочком космоса. Некоторым до сих пор не нравится идея мультивселенной, поскольку она делает тщетной надежду на упорядоченное объяснение всех фундаментальных физических величин. Такой же тщетной, как нумерологический квест Кеплера в попытке понять устройство Солнечной системы.

Но физическую реальность не интересуют наши предпочтения, и нам не стоит находиться в плену у догм. В качестве некоторого утешения можно осознать, что пространство и время в большем масштабе могут иметь структуру настолько же сложную, как флора и фауна богатой экосистемы. Наша текущая концепция физической реальности может быть так же ограничена по отношению к целому, как концепция Земли, построенная планктоном, чья вселенная – ложка воды.

Около 10 лет назад я был на конференции в Стенфордском университете, где нас спросили, сколько бы мы поставили на то, что концепция мультивселенной – часть реальной науки. Я сказал, что если взять шкалу, которая начинается моей аквариумной рыбкой, продолжается моей собакой и заканчивается моей жизнью, я уже почти на уровне собаки. Андрей Линде, который потратил 25 лет на изучение «вечной инфляции», сказал, что почти готов поставить свою жизнь. Когда об этом рассказали великому теоретику Стивену Вайнбергу, он сказал, что с радостью поставит на кон собаку Мартина Риса и жизнь Андрея Линде. Что ж, Андрея Линде, моей собаки и меня уже давно не будет в живых, когда выяснится истина, но это не метафизика. Это весьма спекулятивно, но это увлекательный предмет исследования, и это может быть правдой.

Хочу упомянуть кое-что еще более спекулятивное, поэтому выставляю два знака опасности. Честно говоря, это неприятная мысль, немногие ее воспринимают серьезно, а не как развлекательную научную фантастику. Если мы живем в мультивселенной, то могут быть вселенные, куда более пригодные к массовому появлению разумной жизни, чем наша. Например, если бы гравитация была слабее, структуры во вселенной могли бы быть еще больше.

В такой вселенной некий компьютерный гиперпроцессор мог бы симулировать не просто часть реальности, но и целую вселенную вроде нашей. И тогда встает вопрос: а вдруг мы – симуляция?

Вдруг мы сами не настоящая физическая реальность, а искусственная жизнь, как в «Матрице»? Я почти уверен, что это просто научная фантастика. Но невозможность доказать, что это не так, – не препятствие упомянуть о такой возможности хотя бы на таком мероприятии, как наше.

Закончить я хотел бы так же, как и начал. Переведем фокус со вселенной или даже с ансамбля вселенных на реальность здесь и сейчас. Даже в контексте спирали времени, которую я растянул на миллиарды лет в будущее, как и в прошлое, наш век – особенный. Он первый, когда один вид – наш – держит будущее планеты в своих руках. Наш креативный разум может запустить переходы от вида, привязанного к Земле, к виду космических путешественников и от биологического к искусственному разуму, переходы, с которых могут начаться миллиарды лет человеческой эволюции, даже более чудесных, чем те, что были до нас.

С другой стороны, люди могут запустить био-, кибер– или экокатастрофы, которые навсегда закроют такие возможности. Так что наша Земля, бледная голубая точка в космосе, место особенное. Возможно, она – уникальное место, и мы – его хранители в особенно критическую эпоху. Думаю, это важное сообщение для всех нас, астрономы мы или нет.

Леди и джентльмены, теперь я должен спустить вас с небес на Землю.

Давайте посвятим несколько секунд тому, чтобы проникнуться смыслом этой фотографии (см. с. 4 вклейки). Ей почти 44 года. Этот снимок был сделан командой «Аполлона-17» по пути к Луне, с расстояния примерно 45 тысяч километров. В те дни, задолго до эпохи цифровых камер, количество фотографий, которые вы могли сделать, было ограничено. Поскольку работа астронавтов состояла в исследовании Луны, они не делали много снимков Земли. Их больше интересовал объект, к которому они направлялись, а не тот, что оставался позади.

Но они не удержались и запечатлели для нас эту захватывающую дух картину. Этот снимок впоследствии стал известен под названием «Голубой шарик» (Blue Marble). Говорят, что это изображение является одним из самых воспроизводимых за всю историю фотографии. Считается, что оно изменило представление о нашей планете. Всего за несколько лет до этого мы были взволнованы видом Земли, поднимающейся из-за лунного горизонта, на фотографии, снятой экипажем «Аполлона-8». Но тут мы впервые увидели во всей красе эту потрясающую многоцветно-голубоватую сферу, окруженную темной бесконечностью космоса. Мы смогли ясно увидеть Землю и понять, что она – бесценная для нас система жизнеобеспечения. Это наш космический корабль и наш дом. Эта планета удовлетворяет всем нашим нуждам. И она одна. Запасной у нас нет.

Мы слышали потрясающие рассказы астронавтов о том, каково это – жить в космическом вакууме, когда тебя защищает лишь относительно хрупкая металлическая капсула со множеством сложных встроенных механизмов жизнеобеспечения. Последнее, что стоит делать в такой ситуации – небрежно обходиться с окружающей тебя техникой.

Но именно этим мы занимаемся на Земле – с семью с половиной миллиардами пассажиров на борту и с экономической активностью, увеличившейся в 40 раз за последний век. На протяжении всей нашей истории люди воздействовали на планету на уровне ландшафта. Вспомните, что случилось с мастодонтами или с европейскими лесами. В последние десятилетия масштабы нашей деятельности растут все быстрее и быстрее. Теперь мы не просто повреждаем некоторые части планетарного механизма. Мы вмешиваемся в его базовые биологические функции. Мы оказываем влияние в глобальном масштабе. Производя энергию из ископаемого топлива, мы – невольно – выпустили в атмосферу парниковые газы. Это нарушило энергетический баланс Земли. Отсюда изменения в климатической системе, на которую мы полагаемся в отношении продовольствия, воды и благоприятной среды, в которой мы живем и процветаем. Мы положили начало новому этапу истории, который геологи назвали антропоценом – эпохой существенного воздействия человека на экосистему Земли.

Незадолго до начала Второй мировой войны Уинстон Черчилль сказал, что мы входим в «период последствий». Сегодня эта фраза актуальна как никогда. Земля – сложнейшая из известных нам систем. Ее элементы взаимосвязаны мириадами различных способов. Перемена в одном месте влияет на все остальные. Отличительной чертой таких систем является то, что при нарастании внутреннего напряжения они могут абсолютно внезапно перейти в критическую фазу – стоит только уронить последнюю каплю. Затем такие системы реорганизуются и входят в новый режим существования.

Мы наблюдали похожий процесс всего несколько недель назад с британским референдумом о выходе из Европейского союза. Общество долгое время работало в определенном режиме. Напряжение накапливалось. Внезапно вспыхивает искра, и происходит изменение. Мы еще не знаем, что повлечет за собой это событие, но нам придется так или иначе адаптироваться к новым условиям.

Это поучительный пример, и о нашей планете можно думать в том же ключе. Но давайте вспомним и о хороших новостях. В декабре 2015 года на конференции в Париже представители 195 государств подписали новое соглашение в русле рамочной конвенции ООН об изменении климата. В 19:27 вечера 12 декабря под гром аплодисментов министр иностранных дел Франции (и председатель этой конференции) Лоран Фабиус ударом молотка возвестил, что соглашение достигнуто.

То был знаменательный день для дипломатии. Непросто заставить 195 стран сойтись хоть в чем-то, не говоря уже о таком сложном вопросе, как изменение климата и меры по его предотвращению. Это соглашение стало важным посылом мировых лидеров о реальности климатической угрозы.

Переговоры в Париже опирались на экспертизу тысяч ученых. Более века наблюдений потребовалось, чтобы получить хоть какое-то представление о климатической системе. Основываясь на полученных данных и их интерпретации, научное сообщество сделало вывод – нельзя допустить глобального повышения температуры более чем на 2 °C относительно доиндустриальной эпохи. Лучше было бы даже не приближаться к этой отметке. Означенная цифра соответствует количеству углерода, который мы еще можем себе позволить сжечь. В этом вопросе есть много неопределенностей. Мы точно не знаем, насколько теплее станет планета, если мы удвоим количество диоксида углерода в атмосфере. И мы не можем предвидеть эффект, который такое потепление окажет на человечество.

Но все же мы довольно много знаем о рисках и угрозах. С учетом этих известных факторов был достигнут широкий консенсус: 2 °C – верхний возможный лимит, а 1,5 °C было бы лучше. Чтобы не пересекать этих воображаемых границ, страны утвердили общий план. Он сводится к тому, чтобы сократить выбросы парниковых газов до нулевого нетто-показателя ко второй половине XXI века. В 2070-х годах остаточные выбросы должны будут компенсироваться соответствующими поглотителями углерода.

Вот еще один снимок Земли. Но в отличие от первого, он сделан при помощи камеры, чувствительной к инфракрасному (тепловому) излучению (см. с. 4 вклейки). Ключевое отличие от «Голубого шарика» в том, что здесь вы не видите поверхности планеты, потому что атмосфера непрозрачна для инфракрасного излучения. Тепловое излучение, поднимаясь с Земли, несколько раз поглощается атмосферой. При каждом поглощении оно излучается вновь в случайном направлении. В итоге получается, что излучение с одинаковой вероятностью отражается обратно, в сторону поверхности, или продолжает свой путь наверх. В то же время в атмосфере есть и другие физические процессы, например, конвекция, выталкивающая тепло наверх. В конце концов, инфракрасное излучение достигает высоты, на которой лежащие выше слои атмосферы достаточно прозрачны, чтобы излучение могло ее покинуть, оказаться в космосе. Здесь его и улавливает фотокамера.

Характерная температура исходящего от Земли теплового излучения – около –15 °C. Это заметно ниже температуры замерзания. Кислород и азот, составляющие до 99 % атмосферы, прозрачны для инфракрасного излучения. Если бы в нашей атмосфере не было следовых газов – непрозрачного водяного пара, углекислого газа, метана и других – нечему было бы удержать это излучение, и температура поверхности Земли составляла бы те самые –15 °C. Именно парниковый эффект нагревает нашу планету до среднего значения примерно +15 °C – вполне комфортного для жизни.

Не будь парникового эффекта, мы здесь не сидели бы. Так что это, в целом, отличная штука. Но добавляя диоксид углерода в атмосферу (сжигая ископаемое топливо), мы сделали ее менее прозрачной. Даже интуитивно понятно, что такие перемены приведут к потеплению. И здесь интуиция вас не обманывает.

Когда я руководил Британской антарктической службой, наши гляциологи приняли участие в европейском проекте по глубокому бурению антарктического льда. Лед и снег в Антарктике ложится на землю слоями, год за годом. По мере бурения на все большую глубину мы как бы путешествуем назад во времени. Самые большие ледяные керны достигают длины в три с половиной километра. Льду, лежащему на их дне, – 800 000 лет. Дальше (ниже) мы пока не смогли попасть. Есть места, где рассчитывают найти слой еще более древнего льда, которому может быть миллион лет или еще больше. В этом льду содержатся пузырьки воздуха – образцы воздуха прямиком из доисторических времен. Эти образцы намного старше, чем само человечество.

Мы измеряем химический и изотопный состав воздуха в этих пузырьках, чтобы изучить эволюцию концентрации углекислого газа и температуры в Антарктике за эти восемьсот тысяч лет. А затем мы строим график, который явно свидетельствует о некоей периодичности. Эти колебания – ледниковые периоды. Небольшие изменения в форме орбиты Земли и ее наклона относительно Солнца влияют на количество поглощаемой солнечной энергии и ее географическое распределение. Эти изменения задают циклы с периодом в 110 тысяч лет, в течение которых ледяные покровы растут, а потом тают. В течение таких циклов глобальная температура колеблется в пределах примерно 5 °C, а количество диоксида углерода в атмосфере – между примерно 180 единицами в холодной фазе и примерно 280 единицами в теплой. Количество парниковых газов и температура планеты – связанные показатели. Измени одно – и второе тоже изменится. Обратите внимание, что естественное колебание уровня диоксида углерода – примерно 100 единиц.

За последние сто лет мы сожгли столько ископаемого топлива, чтобы построить и обеспечить современный мир, что содержание диоксида углерода в воздухе повысилось еще на сто единиц – мы преодолели отметку в 400. Если вы сделаете глубокий вдох, то в ваших легких окажется такой воздух, каким никогда не дышали наши предки. Планета совершенно точно не видела таких высоких концентраций углекислого газа за последние 800 тысяч лет, а скорее всего, за 15 миллионов лет. Всего за один век мы подняли содержания диоксида углерода в атмосфере до значений, достигаемых за весь цикл ледникового периода. И мы движемся в сторону потепления, подобного которому планета не видела уже много миллионов лет.

Мы убедились, что, добавляя двуокись углерода и другие парниковые газы в атмосферу, нарушаем энергетический баланс планеты. Так куда уходит «лишняя» энергия? Около 93 % уходит в океан. Это происходит потому, что океаны темные и занимают 70 % поверхности земли. Оставшиеся 7 % распределяются – часть растапливает льды, а часть нагревает континенты и атмосферу. Так что, если мы ищем признаки энергетического дисбаланса, то смотреть нужно в океан. И мы действительно смотрим туда. У нас есть специальные поплавки, их почти 4000, каждый периодически ныряет на глубину в пару тысяч метров и по возвращении передает результаты измерения по спутниковой связи. Показатели, снятые этими поплавками, свидетельствуют, что теплосодержание океанов стабильно растет.

Альтернативный чрезвычайно надежный способ выяснить, что происходит в океане, заключается в замере повышения уровня моря. Вода действует как термометр. Те из вас, кто помнит жидкие градусники, знают, что при нагревании жидкость в резервуаре расширяется и отметки на градуснике отражают ее температуру. В случае с океаном жидкость дополнительно удерживается гравитацией. Но все же, когда океан нагревается, он расширяется. Это расширение питается также водными потоками от таяния льда на суше. Современные спутники, оснащенные сверхчувствительными радарами, могут измерять повышение уровня моря по всему земному шару. Данные усредняются, чтобы мы имели одну цифру для всей планеты. Такие наблюдения со временем показали, что уровень Мирового океана сегодня увеличивается более чем на 30 сантиметров в столетие. Это значимые с геологической и практической точки зрения показатели. Нынешние темпы составляют примерно одну четвертую от того устойчивого повышения уровня моря, которое имело место между последним ледниковым периодом и нынешним межледниковьем, когда ледяные покровы таяли, а океан нагревался. Все это угрожает прибрежным сообществам и инфраструктуре. Каждый десятый из нас – всего около 750 миллионов человек – живет в низменном прибрежном районе.

Вот график, иллюстрирующий повышение уровня моря со второй половины XIX века. Данные доспутниковой эпохи (до 1970-х годов) взяты из показаний мареографов. Эти приборы используются уже около сотни лет. До этого прямых постоянных измерений не производилось. Но из других, косвенных, источников нам известно, что уровень моря был стабильным. Если бы уровень моря уже давно рос нынешними темпами, со времен Римской империи океан поднялся бы на шесть метров. Мы точно знаем, что этого не произошло. То же и с выбросами углерода – мы запустили геологически значимый процесс. Если бы я был разумным инопланетянином, изучающим планеты по всей Галактике, внезапный рост содержания углекислого газа и резкое повышение уровня Мирового океана на Земле было бы для меня тревожным сигналом. Что-то необычное и критическое происходит на вон той голубой планете.

Рис. 1. Повышение среднего мирового уровня моря.

Так что же с потеплением? Мы уже сказали, что многие страны договорились не превышать планку в 1,5–2 °C. Вы видите перед собой рисунок, чем-то похожий на циферблат (рис. 2). По кругу расположены месяцы. Два температурных порога (1,5 °C и 2 °C) представлены окружностями. Эта схема – кадр из видео, смонтированного Эдом Хокингом из Редингского университета.

Видео показывает в динамике температуру нашей планеты, месяц за месяцем и год за годом, с XIX века до наших дней. Каждый год – круг. В целом, температура растет довольно медленно, и вы видите, что круги (те, что холодных оттенков) накладываются друг на друга. А затем мы добираемся до 1950-х годов и так называемого Великого ускорения. Внезапно спираль температуры отклоняется от центра и подходит очень близко к отметке в полтора градуса.

Я упомянул, что на нагревающейся планете тают льды. Тут нам на помощь вновь приходят спутники. В полярных областях потепление еще интенсивнее. Когда тает белый лед или снег, обнажается темный океан или земля, и поверхность начинает поглощать еще больше тепла. Это еще усиливает потепление. Из-за этого мы наблюдаем в Арктике и в некоторых частях Антарктики примерно в два раза более интенсивное потепление по сравнению со среднемировым уровнем. На изображении показано изменение летнего ледяного покрова Северного Ледовитого океана за последние 30 лет. Произошло сокращение на 40 % (разница между белой областью плавучего льда и проведенной границей).

Рис. 2. Температурная спираль.

Арктика меняется очень существенно, оказывая огромное влияние на население и экосистемы, которые окружают этот регион, а также на сам Северный Ледовитый океан. Перемены также затрагивают погоду в средних широтах через изменения в поведении высотных струйных течений. Высотное струйное течение – это быстрая и узкая «река» воздуха, которая циркулирует вокруг Арктики высоко в атмосфере. Это течение управляет погодными комплексами, которые мы ощущаем на поверхности Земли. По мере изменения поведения высотных струйных течений меняется и наша погода – включая ее экстремальные проявления.

Рис. 3. Сокращение площади ледяного покрова за 30 лет.

Что еще происходит, пока копится энергетический дисбаланс нашей планеты? Во-первых, как мы видели, мир становится теплее. Уровень моря повышается. Лед и снег тают. Нарушаются паттерны циркуляции океанов и атмосферы. Круговорот воды ускоряется, потому что теплый воздух переносит больше водяного пара. Из-за этого одни регионы переживают засухи, а другие – аномальное количество осадков. Интенсивность штормов с дождями растет. Экосистема реагирует. Под ударом оказываются запасы воды и продовольствия. Это влияет на жизнь людей и других видов. Именно поэтому климатология так важна – она напрямую связана с нашим выживанием. Современный мир и так не слишком хорошо адаптирован к унаследованной нами климатической системе, но еще меньше он готов к той, формирование которой мы провоцируем.

Я возглавляю организацию, ответственную за то, чтобы Лондон, как мировая столица, был наилучшим образом подготовлен к климатическим изменениям. Ключевая проблема – повышение уровня моря. Чтобы вы понимали масштаб риска – в лондонской пойме проживает более миллиона человек, там расположено собственности на 200 миллиардов евро, 400 школ, 16 больниц, 8 электростанций, 35 станций метро, 51 железнодорожная станция и так далее. Вы понимаете, что если Лондон затопит – это будет огромной проблемой. Один масштабный выплеск на набережные уже будет катастрофой.

И все же мы не знаем, насколько именно повысится в будущем уровень моря. Любое предсказание на сегодняшний момент осложнено неустранимыми неопределенностями. Чтобы решить эту задачу, британское Агентство по охране окружающей среды разработало хитрый план. Это гибкий, адаптивный план. Решения будут приниматься по ходу действия, с учетом самой актуальной и надежной информации, чтобы снизить риск до приемлемого уровня. Это позволит выбрать наиболее разумный и рентабельный вариант из серии заранее подготовленных, продуманных сценариев. На случай, если окажется, что выбор был сделан на основе слишком оптимистических прогнозов, этот план позволяет в любой момент принять дополнительные меры. Есть все основания полагать, что если он будет задействован, Лондон устоит против повышения уровня моря до конца столетия.

Человек со стратегическим складом ума может спросить: «Каково максимальное повышение уровня моря, от которого мы способны защитить Лондон?» Ответ на этот вопрос – около пяти метров. Дальше этой отметки уже невозможно будет предотвратить разлив реки и сдержать огромную приливную волну. Учитывая недавнее ускорение таяния полярного льда и ледников, резонно предположить, что пятиметровое повышение может произойти куда скорее, чем мы рассчитывали ранее – возможно даже в пределах пары сотен лет. Так что встает вопрос: «Стоит ли тратить баснословные суммы – 20–30 миллиардов евро – на выполнение плана по защите Лондона от затопления, если в итоге нам все равно придется покинуть эти территории?»

Министерство обороны США пару лет назад представило доклад, в котором говорилось: «Рост планетарной температуры, изменение характера осадков, повышение уровня моря и все более экстремальные погодные явления усугубят проблемы глобальной нестабильности, голода, нищеты и конфликтов». То же министерство активно обсуждает проблему климатических беженцев, наплыв которых может произойти из-за изменений погодных условий в различных регионах и последующей нехватки пищи и воды.

Мы уже стали свидетелями трагедии массовых миграций и огромных проблем, с которыми в результате столкнулась Европа. Перемена климата тут умножила существующие угрозы. Конечно, климат не был единственной причиной катастрофы. Но беспрецедентная засуха 2007–2010 года в сирийской части Плодородного полумесяца заставила более миллиона человек сняться с места – многие ушли в пригороды Дамаска. Там они присоединились к двухмиллионной группе, спасавшейся от войны в Ираке. Это привело к нестабильности, гражданской войне и потоку беженцев. По оценкам экспертов, упомянутая засуха случилась бы с вероятностью в два-три раза меньшей, если бы не происходившее в последние десятилетия потепление. Засушливость в сегодняшних сельскохозяйственных регионах, скорее всего, станет новой нормой по мере дальнейшего изменения климата. Кажется весьма разумным, что нам нужно избежать неуправляемого и управиться с неизбежным.

Так что же мы с этим всем делаем? Современная история наших выбросов углерода в атмосферу представлена на схеме (рис. 4). Подъем черной кривой был неотвратим. По мере того, как одни страны выбирались из нищеты, а другие продолжали накапливать богатство, мы сжигали все больше и больше ископаемого топлива. Обещания, данные на парижской конференции, представлены пунктирной кривой. Каждая страна-участница соглашения представила свой план по сокращению выбросов на ближайшие пятнадцать лет. Если все сдержат эти обещания – а это, конечно, необязательно будет так, – тогда темпы наших совместных выбросов диоксида углерода почти стабилизируются. Но этого недостаточно. Пока мы продолжаем выбросы углекислого газа в атмосферу – даже если его количество будет постоянным, – энергетический дисбаланс никуда не денется, а температура продолжит расти. Только если выбросы будут сведены к нулю, энергетический дисбаланс и температура постепенно стабилизируются. Чтобы удовлетворить чаяния участников парижского соглашения, необходимо резкое и кардинальное снижение – этот сценарий изображен на графике пунктиром. Большинство людей считают, что вероятность воплощения этого сценария очень мала. Практически невозможно следовать такой кривой. Поэтому стоит обратиться к более реалистичной и практичной траектории – она показана толстой линией цветом.

Рис. 4. Траектория изменения объема эмиссии углекислого газа.

Такое развитие событий позволит достичь того же предела количества сжигаемого углерода, что является критическим для соблюдения парижских соглашений. Но для этого нам необходимы чрезвычайно амбициозные меры. Выбросы углерода должны пройти максимум и начать снижаться в течение следующих нескольких лет! Нам нужно начать то, что потом назовут «Величайшим коллективным действием в истории». Без промедления. Это может произойти только в том случае, если правительства, бизнес и люди по всему миру будут работать вместе для достижения этой цели.

Есть и хорошие новости. В рамках Парижского соглашения 20 стран и некоторое количество «влиятельных» людей взяли на себя обязательство инвестировать миллиарды долларов в инициативу под названием «Миссия “Инновация”». Идея состоит в том, чтобы ускорить разработку и внедрение зеленых технологий. Участники этого мини-соглашения видят задачу и прилагают все усилия для ускорения прогресса. Как директор Музея науки в Лондоне, я имел свободный доступ ко всей его коллекции – и я был восхищен плодами ума относительно небольшого числа изобретателей. Я убежден, что хотя наша планета во всех других отношениях конечна, но нет предела человеческой изобретательности. И потому я уверен, что у нас есть все средства для того, чтобы найти чистые способы добычи энергии.

Такой сценарий имел бы и много других преимуществ для здоровья и благополучия человека. Кто не хотел бы, чтобы будущее обеспечивалось чистой и стабильной энергией? И есть еще хорошие новости. Китай, мощная держава, активно продвигает этот сценарий. Китай – мировой лидер по развитию производства солнечной электроэнергии и локальных сетей постоянного тока. Эта страна взяла на себя обязательство генерировать 20 % используемой энергии при помощи возобновляемых источников к 2030 году. Они уже прошли пик использования угля в качестве топлива. Вы можете сказать: «Да, но 20 % все еще недостаточно хорошо». Но эти 20 % соответствуют тысячам гигаватт мощности, и это эквивалент всей нынешней генерирующей мощности США. И Китай собирается сделать это за 15 лет. Довольно амбициозный план. Когда китайцы обязуются что-то сделать, можно быть уверенным, что они это сделают.

Куда меньше обнадеживает тот факт, что для большинства людей в мире изменение климата находится где-то в самом низу списка приоритетов. Гораздо больше всех занимают мысли об образовании, здравоохранении и возможности найти хорошую работу. Кажется, наряду с миссий «Инновация» нам необходима миссия «Просвещение», чтобы убедить людей в том, что изменение климата должно быть приоритетом – потому что оно касается нас всех.

Коммуникация ученых друг с другом построена на особых принципах. Они делятся фактами и информацией чрезвычайно эффективным образом. Они обладают общими экспертными знаниями, годами занимаясь определенными проблемами в теории и на практике. Когда ученые говорят с не-экспертами, они обычно пользуются тем же языком: как если бы простые люди были пустыми сосудами, которые нужно наполнить фактами. Ученые часто предполагают, что их легко поймут, и будут действовать соответственно. Но это так не работает.

Легенды и истории – именно с их помощью люди придают смысл окружающему миру. Мы поколениями передавали друг другу знания именно таким образом. Сегодня растет количество ученых, которые пытаются находить новые способы вести разговор об изменении климата. Сотрудничество с артистами и гуманитариями, когда-то казавшееся невозможным, сейчас происходит все чаще.

Я хотел бы закончить лекцию коротким рассказом о пьесе, которую я написал (в соавторстве) и даже воплотил на сцене. Эта пьеса – попытка заставить аудиторию заглянуть в будущее – в тот год, когда моей десятилетней внучке будет столько же, сколько мне сейчас. Вместе с театральным режиссером Кэти Митчелл и драматургом Дунканом Макмилланом – каждый из нас троих внес равный вклад – мы написали увлекательную, информативную и корректную с научной точки зрения пьесу. Это предприятие оказалось очень успешным. В Королевском театре в Лондоне все билеты на эту постановку были распроданы. Я прочитаю вам несколько слов, которыми заканчивается эта пьеса. Это истина моей науки, но сформулированная так (и с этим я никогда не справился бы в одиночку), что слова становятся мостом от сухих фактов климатологии к сердцам зрителей.

«Мы все зависим от энергии. Почти все, что мы делаем, зависит от нее. В результате этого спектакля возникнут атомы углерода, созданные светом, звуком, энергией, потребовавшейся вам, чтобы сюда попасть. Эти атомы все еще будут носиться в воздухе в 2071 году, в воздухе, которым будет дышать моя внучка. Эти атомы и все наши выбросы углерода – наше наследие.

Наука не может сказать, что хорошо, а что плохо. Наука информирует, а не судит. Она не может ничего решить. Наука говорит, что если мы сожжем еще полтриллиона тонн углерода, содержание углекислого газа в атмосфере повысится еще на сто единиц, и это почти наверняка приведет к повышению средней температуры нашей планеты более чем на два градуса. В результате произойдет глобальная перестройка климатической системы, влекущая огромные риски для человека и для остальной экосистемы. Но наука не отвечает на этические вопросы, на вопросы о ценностях. Есть ли нам дело до нищих? А до будущих поколений? Видим мы окружающий мир как часть экономики или экономику как часть окружающего нас мира? Несмотря на то, что наука описала для нас изменение климата и его последствия, это не научный вопрос. Это вопрос о том, в каком мире мы хотим жить. Какое будущее мы хотим создать».

Недавно я участвовал в панельной дискуссии, где модератор заявил, что у научной фантастики плохой послужной список в отношении правильного предсказания будущего. Я возразил, что будущее нельзя предсказывать в открытую, не влияя на него. Раскрывая свои предположения, мы, авторы-фантасты, меняем завтрашний день. Это как эффект наблюдателя в квантовой механике: акт наблюдения за будущим меняет это будущее.

Так как мы, писатели-фантасты, решаем, какую форму придать вымышленному будущему? Все сводится к экстраполяции. Согласно словарю английского языка «Американское Наследие», «экстраполировать» означает «делать выводы или строить прогнозы на основе имеющейся информации и имеющихся тенденций». Научная фантастика – единственный жанр литературы, художественной или нет, где это делается регулярно, на долгосрочную перспективу и с таким воодушевлением.

Начнем с определения научной фантастики. Этот термин был введен Гуго Гернсбаком, подданным Люксембурга, который иммигрировал в Соединенные Штаты и в 1926 году основал первый научно-фантастический журнал, «Поразительные истории». Определение Гернсбака состояло в том, что научная фантастика – это «вымысел о науке». Обратите внимание, что речь никогда не шла о вымышленной науке. Мы не просто придумываем разные штуки. Когда доброжелательный новостной репортер или журналист говорит, что нечто «просто научная фантастика», он или она на самом деле имеют в виду, что это «просто фантазия». Научная фантастика – о том, что правдоподобно, а магия и сверхъестественное не имеют основы в реальности.

Мой любимый автор научной фантастики – сэр Артур Кларк, пусть даже он и сделал вопиющую ошибку. В 1965 году он дал определение, впоследствии ставшее известным как Третий закон Кларка, и звучит оно так: «Всякая достаточно продвинутая технология неотличима от волшебства». Это попросту неверно: волшебство подразумевает нарушение законов физики, чаще всего законов сохранения массы и энергии. Даже у самой продвинутой технологии есть ограничения, и хорошая научная фантастика признает эти ограничения и работает в их пределах.

Я определяю научную фантастику как «основное направление литературы о правдоподобной альтернативной реальности». «Основное направление» – в том смысле, что рассказ ведется для читателя, уже как бы знакомого с обстановкой повествования. Если история разворачивается на Марсе в 2087 году, автор ведет повествование, как будто читатель живет в 2087 году. И хотя читатель – не обитатель Марса, это местоположение воспринимается большинством из нас как не более экзотическое, чем, скажем, Мадагаскар (или Тенерифе!).

В определении Гернсбака, как и в моем, основой является правдоподобность. Наука – это нечто, основанное на опыте, и это то, что может быть либо подтверждено, либо опровергнуто. Научная фантастика признает научный метод как единственно приемлемый. Авторы-фантасты – самые большие скептики в отношении силы мысли, прошлых жизней, НЛО и чепухи вроде религий нью-эйдж.

Чарльз Дарвин понимал, что человечество – это незавершенная работа. Со времен Герберта Уэллса писатели-фантасты опирались на Дарвина. Пример эволюции, который первым приходит в голову из работ Уэллса, – роман 1895 года «Машина времени», в которой через 800 000 лет человечество разделилось на две ветви: жестокие умные морлоки и беспомощные слабоумные элои. Но еще более интересен в этом отношении мой любимый роман Уэллса «Остров доктора Моро», опубликованный на следующий год, в 1896 году. В ней человечество не просто сталкивается с изменениями, а осознанно их совершает. Доктор Моро создает химер, придавая животным человеческие черты, или наоборот, создает существ, которые думают и чувствуют совершенно не так, как мы.

И конечно, Олдос Хаксли дал нам ощутить вкус генной инженерии, создав новые типы людей – разнообразные касты, выращенные в стеклянных контейнерах в его романе 1934 года «О дивный новый мир».

Чтобы правдоподобно экстраполировать, необходимо убеждение в том, что природа человека может меняться, что наша психика и наше общество поддаются изменениям. На самом деле именно эта способность меняться объясняет, почему мы еще существуем, когда другие виды людей давно вымерли. Хотя мозг у них был больше, неандертальцы были интеллектуально инертны и производили в основном те же каменные орудия (Мустьерская культура) в течение примерно 200 000 лет. Однако же наш вид человека постоянно улучшал свои технологии, потому что наш взгляд на мир постоянно менялся. На Линнея постоянно нападают из-за названия, которое он гордо присвоил нашему виду – Homo sapiens, человек разумный. Но если разум – результат накопленных изменений восприятия и углов зрения, наш проворный вид вполне заслужил свое название.

Мы признали, что природа человека меняется. Второе, что нужно для экстраполяции – хорошее понимание истории, как бы иронично это ни звучало.

Единственный способ продолжить тенденцию – смотреть не только на настоящее, но также и на прошлое. Будущее – это продолжение истории, и именно вектор из прошлого к настоящему дает нам направление экстраполяции. Правдоподобное будущее основывается на существующих тенденциях. Неправдоподобные варианты будущего, не имеющие достаточных оснований, идут в других направлениях. На самом деле стандартный метод придумывания сюжета для научной фантастики вовсе не спросить: «А что, если?», то есть найти симпатичную идею и проработать ее последствия, как многим кажется. Скорее нужно подумать, что будет, если нечто из нашей действительности будет продолжаться, предсказать его логический предел или естественное завершение.

Третье, что нужно для эффективной экстраполяции, это понимание, что скорость изменений больше не линейна, а скорее экспоненциальна. Эта идея была широко популяризирована изобретателем Рэйем Курцвайлем, в частности, в его толстой книге «Сингулярность близка». Однако изначально эта идея принадлежала фантасту Вернору Винджу. Прогресс за это десятилетие уйдет намного дальше, чем за прошлое. Прогресс за этот век окажется намного сильнее, чем за прошлый.

Давайте соединим изменчивость человеческой природы, исторические ориентиры и экспоненциальное нарастание перемен и экстраполируем правдоподобные варианты будущего. Однако мы, авторы-фантасты, должны не просто предсказать очевидное. Наша задача – увидеть следствия не только первого порядка, но также и второго, и третьего. Всякий мог предсказать автомобили, но только фантаст предсказал бы пробки на автодорогах. Всякий мог предсказать самолет, но только фантаст предсказал бы захваты воздушных судов, начисление миль за регулярные полеты и зоны отдыха в аэропортах.

Выше я упоминал Герберта Уэллса, но научная фантастика появилась раньше, ее изобрела женщина. Скоро нас ждет 200-летие научной фантастики, и я лично планирую это отпраздновать. Первое научно-фантастическое произведение вышло в 1818 году. Это был роман Мэри Шелли «Франкенштейн, или Современный Прометей». Это первый роман, героем которого стал ученый – доктор Виктор Франкенштейн. У доктора Франкенштейна есть теория – что гниение и разложение после смерти обратимы под воздействием электричества, и он придумывает эксперимент для проверки своей теории.

Как и многие последующие произведения научной фантастики, история Шелли предостерегает. Она поднимает глубокие вопросы о том, кто имеет право создавать живых существ и какую ответственность создатели несут перед своими созданиями и перед обществом.

Подумайте об этом. Мэри Шелли подняла эти вопросы почти два века назад – за 41 год до публикации «Происхождения видов» Дарвина и за 135 лет до расшифровки структуры ДНК Криком и Уотсоном. Стоит ли удивляться, что Элвин Тоффер, один из первых писателей-футуристов, называл чтение научной фантастики единственной профилактикой от «футурошока»?

Айзек Азимов, великий американский фантаст, дал такое определение: «Научная фантастика – это жанр литературы, который работает с реакцией человека на развитие науки и технологий». Воздействие результатов лабораторных исследований на общество – всегда на первом месте для писателя-фантаста. И чем дальше уходит наука, тем сильнее научная фантастика фокусируется на этих вопросах.

В самом деле, писатели-фантасты исследуют эти темы с точки зрения, которая недоступна для ученых. Несколько лет назад для документального фильма канала «Дискавери Канада» я брал интервью у нейробиолога Джо Цейна. В своей лаборатории в Принстоне он вывел суперумных мышей и вполне открыто говорил об этом, пока камеры были выключены. Однако, как только мы начали снимать и я спросил о создании умных мышей, он рубанул рукой и жестом остановил меня. «Мы можем говорить о том, что у мышей улучшается память, но не о том, что они становятся умнее. Публика меня сожрет, если подумает, что мы делаем животных умнее».

Но писатели-фантасты могут говорить об истинном значении исследований. За нами нет пристальной слежки пугливых грантодателей, и мы можем свободно размышлять о возможных последствиях новых технологий – не только положительных, но и отрицательных. Как говорит мой коллега, канадский писатель-фантаст Уильям Гибсон, задача писателя-фантаста – быть совершенно непредвзятым в отношении достижений науки и технологий.

В отличие от многих ученых, работающих как на государственной службе, так и в коммерческой сфере, мы также не связаны соглашениями о неразглашении. Печально, что многие из лучших математиков и специалистов по информатике работают на Агентство национальной безопасности США, или на похожие организации в других странах, или на крупные компании, выпускающие компьютерные игры и программное обеспечение. Им запрещено публиковать результаты своих исследований. За год до создания первой атомной бомбы ФБР потребовало от журнала «Потрясающая научная фантастика» отозвать мартовский выпуск 1944 года со статьей Клива Картмилла о том, как можно было бы сделать бомбу на основе расщепления ядер урана.

Тогда писатели-фантасты начали публичное обсуждение реальных последствий применения ядерного оружия (например, классический рассказ Джудит Меррил 1948 года «Только мать…», где говорится о генетических повреждениях, вызванных радиацией). Мы также одними из первых задумались об опасностях аварий в ядерной энергетике (например, повесть Лестера дель Рея «Нервы» 1942 года). Научная фантастика всегда выполняла роль WikiLeaks в отношении науки, сообщая публике, что именно несут нам самые передовые исследования.

И мы достаточно квалифицированы для этой работы. Многие писатели-фантасты, например, Грегори Бенфорд, – действующие ученые. Многие другие, как, например, Джо Хальдеман, имеют научные степени. Я тоже занимался научной и технической журналистикой. Наши недавние работы затрагивали такие темы, как глобальные изменения климата (Ким Стенли Робинсон «Сорок признаков дождя» и его продолжения), биологический терроризм (Паоло Бачигалупи «Заводная»), конфиденциальность информации в Интернете и попытка Китая контролировать доступ своих граждан к сети Интернет (моя книга WWW: Wake и ее продолжения).

И хотя трудно представить, чтобы Джорджа Лукаса попросили поработать консультантом космической программы, писатели-фантасты часто консультируют правительственные органы. Группа писателей-фантастов SIGMA часто консультирует Департамент внутренней безопасности США по вопросам технологий, а Джек Макдевитт и я недавно консультировали NASA по вопросу о поисках разумной жизни в космосе.

Итак, работа писателей-фантастов не в том, чтобы предсказывать будущее. Она скорее в том, чтобы прогнозировать возможные варианты будущего – чтобы общество могло принимать информированные решения о том, куда хочет идти. Классический фантастический роман Джорджа Оруэлла «1984» не провалился, потому что будущее, которое он предсказывал, не случилось. Он имел оглушительный успех, потому что помог нам предотвратить такое будущее. Иначе говоря, по знаменитому высказыванию Рэя Бредбери, наша работа – не предсказывать будущее, наша работа – предотвращать будущее. Тем не менее научная фантастика в самом деле предсказала многие из технологий, которые мы используем сегодня.

Ходит глупый слух, что якобы Эл Гор заявлял, что он изобрел Интернет. Конечно, ничего подобного он не говорил. Не менее глупо утверждать, что научная фантастика не смогла предсказать Интернет. На самом деле она сделала это неоднократно. Вероятно, самое старое упоминание чего-то подобного Интернету – это «телектроскоп» Марка Твена из рассказа, опубликованного в 1898 году:

Кое-что даже более близкое современному Интернету и вытекающей из него Всемирной сети было описано в коротком рассказе Мюррея Лейнстера «Логический компьютер по имени Джо», впервые опубликованном в 1946 году. Он предсказывает сеть взаимосвязанных компьютеров, дающую ответы на любые вопросы, когда бы и откуда бы они ни поступали. Рассказчик Лейнстера, робкий ремонтник, описывает технологию, устрашающе похожую на то, чем мы пользуемся сегодня, 66 лет спустя:

«Вы знаете, как бывает с “логиками”? Вам привозят “логика” на дом. Он похож на телеприемник, только вместо верньеров у него клавиши, как на машинке, и если чего вам надо, вы набираете соответствующие слова. Скажем, вы набираете: “Станция СНАФУ[14]”. Реле в банке памяти принимает команду и передает на экран вашего “логика” любую телепрограмму, которая идет по этой станции. Или, скажем, вы набираете: “Телефон Салли Кукареку”, и ваш экран начинает жужжать и подмигивать, и вас соединяют с “логиком” в ее квартире, и если кто-нибудь отвечает, вы получаете видеотелефонную связь. Но кроме этого, если вы хотите знать прогноз погоды, или кто выиграл сегодня на бегах, или кто был хозяйкой Белого дома при администрации Гарфилда, или текущий курс акций, ответы на все это тоже появляются на экране “логика”. И он берет их в банке памяти. Сам банк – большущее здание, напичканное всяческими сведениями обо всем на свете и копиями всех телепередач, записанных со дня сотворения телевидения, и этот банк связан со всеми другими банками памяти во всей стране, и если вы хотите что-нибудь узнать, услышать или увидеть, наберите заказ, и он будет тут же выполнен» [15].

Это было в 1946 году – за два года до рождения Эла Гора.

В наши дни многие пользуются планшетными компьютерами вроде iPad от Apple или Surface от Microsoft. Ирония в том, что их впервые предложила компьютерная компания, название которой мы не ассоциируем с такими устройствами. В кинофильме «2001 год: Космическая одиссея», вышедшем в 1968 году, астронавты используют планшеты с логотипом IBM. IBM практически угадала название, которое Вы можете разобрать, если посмотрите этот фильм на большом экране: NewsPad.

В самом романе «2001» Артур Кларк описывает, как один из астронавтов использует такой планшет:

То есть, научная фантастика даже предсказала, что серфинг в сети может стать невероятной тратой времени. Когда говорят о предсказаниях научной фантастики, часто упоминают посадку на Луну и подводные лодки (Жюль Верн) или технологии слежки (к которым привлек внимание Джордж Оруэлл).

Но, по-моему, самое важное, что предсказала научная фантастика, – это что будущее вообще будет. С момента изобретения ядерного оружия, через холодную войну и борьбу с терроризмом до сегодняшнего дня, когда мы стоим на пороге климатической катастрофы, научная фантастика говорила, что у человечества есть будущее, которое ожидает нас через сотни, тысячи и даже миллионы лет.

Оправдается ли это предсказание, нам предстоит увидеть. Как я уже сказал, работа писателей-фантастов лишь в том, чтобы описать возможные варианты. Но я твердо уверен: самое чудесное предсказание состоит в том, что путешествие человека еще только начинается.

У меня сегодня чрезвычайно сложная задача. Мне предлагается говорить о будущем искусственного интеллекта с залом, полным людей, построивших современную технологию, о которой я собираюсь говорить. Я собираюсь утверждать, что искусственный интеллект (ИИ) в конце концов будет полезен, а не вреден для нас. Между тем в зале сидит Стивен Хокинг, который недавно постулировал, что угрозы искусственного интеллекта могут оказаться экзистенциальными. Причина, по которой сегодня это особенно интересно, в том, что возможности ИИ стали реализуемы и они весьма оживленно обсуждаются. Что касается будущего космических полетов, звезд, исследований вселенной, вполне вероятно, что следующими великими путешественниками будут не человеческие существа. Вероятно, раньше нас там окажутся очень умные машины.

Мы последуем за ними в космос, как мы следуем за машинами уже многие годы. Первые космические зонды были не очень умными. Те, что сейчас летают на Марс, тоже не очень умны, но уже скоро мы начнем отправлять в космос все более и более разумные машины. Для понимания темпов исследований нам бы хорошо понимать, каков потенциал искусственного интеллекта. Еще одна причина интереса – неожиданные продвижения в науке и технологиях искусственного интеллекта и значительные коммерческие инвестиции в эту область, в том числе со стороны моей компании Salesforce.

В последнее время было немало предостережений об угрозах ИИ, угрозах наивысшего порядка, даже экзистенциальных. Сегодня люди беспокоятся, например, о рабочих местах. Не лишит ли ИИ нас всех работы, или не перехватят ли роботы власть? Победит ли в нашем мире «Терминатор»? Думаю, что не победит. Я буду говорить о том, есть ли в долгосрочной перспективе действительная экзистенциальная угроза нашему виду, и есть ли в краткосрочной перспективе существенная угроза нашим рабочим местам.

Итак, существуют разнообразные и хорошо аргументированные взгляды на этот вопрос, но они не новы. Вспомним 1965 год и процитируем Дж. Гуда: «Определим сверхразумную машину как машину, способную превзойти интеллектуальную деятельность любого человека, каким бы умным он ни был. Поскольку разработка машин – один из видов такой интеллектуальной деятельности, сверхумная машина может строить машины еще умнее. Несомненно, случится взрыв интеллекта, и интеллект человека будет оставлен далеко позади. Тогда сверхумная машина будет последним изобретением, которое нужно будет сделать человеку, если, конечно, машина окажется достаточно покорной, чтобы позволить нам управлять ею».

Не так давно Билл Гейтс сказал, что «не может понять, отчего люди не озабочены ИИ». И профессор Хокинг в недавней редакционной статье 2014 года писал: «Глядя на возможное будущее с неисчислимыми выгодами и рисками, эксперты, несомненно, делают все возможное, чтобы обеспечить наилучший вариант, так? Не так. Если бы более развитая внеземная цивилизация прислала нам сообщение: “Ждите нас через несколько десятилетий”, разве мы бы ответили “Хорошо, позвоните, как доберетесь, мы оставим свет включенным”. Скорее всего, нет, но примерно это и происходит с ИИ». Так сказал профессор Хокинг.

С нами сейчас и Денни Хиллис, мой дорогой друг на протяжении многих лет. В 1985 году он основал замечательную компанию под названием «Думающие Машины» (Thinking Machines). У него был очень оптимистичный подход – девиз на двери его кабинета гласил: «Я хочу построить машину, которая будет мной гордиться». Это была, пожалуй, вторая волна энтузиазма по поводу ИИ, и я говорю вторая, потому что наблюдаю это явление уже 40 лет. Я начинал свою карьеру в Стенфордском исследовательском институте, и там была лаборатория дополнения человеческих возможностей, где Дуг Энгельбарт изобрел компьютерную мышь и интерактивный компьютерный экран. Но у нас была и лаборатория робототехники, и лаборатория искусственного интеллекта. Технологии дополнения возможностей изменили мир, и теперь мы в третий раз принимаемся за ИИ и робототехнику.

Когда я думаю о путях развития технологий, я думаю о трех «И» – инструменты, интеллект и инвестиции[17]. Далеко ли мы ушли в развитии новых инструментов? Над ними ли будут работать умные люди? Много ли в эту область вкладывается денег? И да, сегодня все это происходит в сфере ИИ. Мы наблюдаем значительное увеличение вычислительных мощностей, наступление так называемого машинного обучения; большие данные (Big Data) – огромные объемы данных, которые мы способны обработать. Даже Интернет вещей, который генерирует огромный объем новых данных и соединяет множество объектов в мире, делая их разумными. И конечно, большие сдвиги в нейронауке, в нашем понимании мозга.

Итак, у нас появляются значимые новые инструменты. Посмотрите, что происходит с молодыми учеными, заканчивающими университеты вроде Массачусетского технологического, Стенфорда, Карнеги Меллона и Кембриджа – куда они идут? Они идут в эти новые стартапы ИИ. Наконец, если посмотреть на сообщество венчурного капитала, все инвестируют в машинное обучение, буквально сотни компаний. Мы и сами инвестировали в несколько десятков, купив только за прошлый год больше дюжины. Таким образом, инструменты, интеллект и инвестиции сигнализируют о больших переменах.

Я бы хотел подойти к размышлениям об этих вещах со своего рода подходом оценки рисков, разобраться, какие риски нас ожидают. Для этого я использую инструмент, называемый сценарное планирование. Это инструмент, которым я сам пользуюсь уже около 40 лет. Я возглавлял сценарное планирование в корпорации Шелл, где мы развивали этот инструмент, чтобы принимать важные решения в условиях неопределенности. Это инструмент для размышлений о неопределенности.

О рисках стоит задуматься, потому что мы уже видели, что они могут реализоваться. Подумайте: расшифровка генома, ядерное оружие, космическое оружие и, совсем недавно, CRISPR[18] – это области технологий, о которых в обществе были большие дискуссии и для которых разрабатывались стратегии управления значимыми рисками. Подобная дискуссия об искусственном интеллекте только началась, так не следует ли нам как-то ограничить его?

Чтобы продумать сценарии, необходимо понимать, каковы главные неопределенности и к чему они могут привести? Что наименее определенно и что будет иметь наибольшие последствия? Особенно важно, будет ли у нас достаточно времени на принятие решения, если последствия нам не понравятся? Успеем ли мы начать действовать или нас захлестнет переменами как в сингулярности – сценарии, предложенном Верноном Винджем и Рэйем Курцвайлем?

Итак, есть три категории рисков, о которых нам стоит подумать. Во-первых, те, которым мы уже подвергаемся – традиционные риски потери рабочих мест, которые сопровождают огромные технологические перемены, преображающие то, как выполняется работа, как работает промышленность, как работает общество. И это те опасения, которые испытывает сегодня большинство людей. Вторая категория рисков – это… позвольте мне назвать это некомпетентным ИИ или ИИ с неверными алгоритмами, как мы видели в «Одиссее 2001 года» – вы видели «Хал 9000», маниакально сосредоточенный на своей миссии и стремящийся убить всех людей вокруг себя, чтобы выполнить эту миссию. Я думаю об умном автомобиле, который в будущем скажет: «Нет, я не стану останавливаться у Макдоналдса, это вредно для вас». Я думаю как бы о дерзком роботе. И это вторая категория.

И третья, которая особенно страшна и беспокоит всех, – доминантный или злонамеренный ИИ. Сценарий Терминатора, если угодно. Я бы хотел провести различие между тем, что я называю большим ИИ, и малым, или ограниченным ИИ, как его иногда называют в отрасли. Ограниченный ИИ – это просто небольшие порции разума, применяемые сейчас почти в любом процессе, чтобы снять с человека рутинную работу. Простой пример, который многие сегодня используют, это покупка в один клик на Амазоне, так? Вы кликаете на выбранную книгу, и она моментально становится вашей, потому что одновременно маленький робот-клерк проверяет, человек ли это? Он действительно Шварц? Все ли в порядке с его кредитной картой? Верно ли указан его адрес? Да, мы можем завершить транзакцию. Немного ИИ. Или заселение в отель, когда ваш смартфон удостоверяет для отеля вашу личность и ИИ отвечает: «Добро пожаловать, мистер Шварц. Ваш номер – 905. Регистрироваться нет необходимости».

Как видно, в самых различных контекстах небольшое количество искусственного разума начинает применяться, чтобы убрать трение из тех или иных процессов. Вот это я имею в виду под ограниченным ИИ, и это уже начинает происходить. Не думаю, что ограниченный ИИ ведет нас к большому ИИ, а большой ИИ – это то, что в литературе называется общий искусственный интеллект, ОИИ (AGI). В целом, это как мозг человека, что-то сопоставимой мощности. И я думаю, что сложение маленьких ИИ не ведет к большому ОИИ.

В литературе также высказана идея искусственного суперинтеллекта, куда более мощного, чем человеческие существа, и требующего постоянного саморазвития. Машина улучшает себя и создает следующее поколение машины, которое создает следующее поколение машины и так далее и так далее, и машины становятся все лучше и оставляют нас далеко позади. Таким образом в этом зале мы говорим лишь о трех типах ИИ, хотя добрый друг многих из нас, Кевин Келли, только что выпустил отличную книгу «Неизбежно» (The Inevitable). И в этой книге он перечисляет 25 разных типов ИИ.

Всего несколько примеров: разум, подобный человеческому, но быстрее находящий ответы, как Ватсон на стероидах; разум, натренированный и направленный на улучшение вашего личного разума, как уникальное дополнение к вашему собственному разуму; решающий общие задачи разум без какого-либо самосознания – большой мощный научный инструмент для исследований. Наконец, разум, способный к бессмертию путем миграции с платформы на платформу, развивающийся во времени и фактически живущий вечно, потому что он способен адаптироваться к технологическим переменам.

Так что есть множество разных видов ИИ, которые следует иметь в виду, когда мы говорим о будущем. Есть три измерения неопределенности. Первое – это время: насколько быстро это случится? Случится ли это в самом ближайшем будущем, через несколько лет, еще позже, или, как думают некоторые, не случится никогда? Различные эксперты в этой области провели пять исследований возможных временных рамок. Около 10 % сказали, что у ОИИ есть шанс появиться около 2022 года, 90 % – что от 2065-го до конца века, и статистически малая часть – что никогда.

Таким образом, по мнению большинства экспертов, до конца этого века у нас будет устройство не глупее среднего человеческого существа. Это первая неопределенность. Сегодня мы на пологом подъеме, но в какой-то момент в ближайшем будущем кривая может уйти вертикально вверх. Вопрос, не на переломе ли мы уже сейчас? Или пологий подъем будет продолжаться? Вторая большая неопределенность – это путь. Как мы попадем туда? Будет ли это сверху вниз и намеренно или снизу вверх? Сверху вниз означает, что мы поймем, как работает мозг, создадим программную модель этого мозга и запустим ее на каком-либо устройстве.

Современные технологии машинного обучения уже на самом деле довольно близки к этому, потому что один из способов работы мозга – это запоминание, мы видим одни и те же вещи много раз и со временем в нейронах прокладываются тропинки, придающие им смысл, они запоминаются. Так и работает машинное обучение, вы показываете машине множество примеров, и она усваивает, как выглядит кошка, или собака, или яблоко, или ваше лицо, между прочим. Это путь сверху вниз.

Однако все может произойти иначе, снизу вверх – множества разных вычислений могут быть соединены в то, что Марвин Минкси называл «общество разума». Однако если оно и может появиться, очень трудно предсказать, когда именно. Особенно тревожный сценарий предсказывает, что это может произойти даже случайно.

Последняя неопределенность – будет ли ИИ полезным? Принесет ли он плоды? К примеру, в недавнем фантастическом фильме «Она», где ИИ был помощником человеческого существа, прекрасным, благодаря чудесному голосу Скарлетт Йохансон. Конечно, ИИ наскучило человечество, и он оставил нас позади, но это был милостивый ИИ. Но фактически мы видим, что ограниченный ИИ, о котором я говорил выше, очень полезен для повышения производительности. Наша компания использует ИИ для повышения производительности людей. И, если вы задумаетесь о растущей занятости в секторе услуг, где производительность не растет, это инструмент повышения производительности и роста нашей экономики.

Итак, вот эти три большие неопределенности. Проясняет ли это ситуацию? Каковы возможные пути? Каковы сроки? Это подводит нас к нескольким особенно непростым вопросам. Например, действительно ли сознание имеет значение? Должна ли машина на самом деле знать, что она разумна? Философ Джон Сирл утверждал, что в этом отношении есть по крайней мере два вида разумности. Одна – сильный ИИ, то есть самоосознающий и имеющий то, что мы подразумеваем под сознанием. Другая – слабый ИИ, который функционирует так, как если бы у него было сознание. Он неотличим от осознающего существа, хотя на самом деле сознания у него нет.

Я не думаю, что это имеет значение с практической точки зрения. Философски – может быть, но с точки зрения нашего взаимодействия с ИИ разницы, пожалуй, нет. Еще один важный вопрос – похож ли вообще мозг на компьютер – вычисляет ли он вообще? Мы использовали компьютерную метафору для описания мозга и метафору мозга для описания компьютера. И фактически, сегодня ИИ – это программное обеспечение, работающее на «железе», нет ничего необычного в том, чтобы думать о нем с этой точки зрения.

Но и наш разум живет в теле – у него есть руки, есть глаза, есть ноги и прочее. У него есть опыт, есть эмоции, есть ощущения и так далее. Может ли быть бестелесный разум? Есть ли в этом на самом деле смысл? Может быть, нам нужна радикально иная модель мозга? Например, мы не могли бы прийти к современной физике твердого тела без квантовой теории, туда не попадешь через Ньютонову физику. Так что возникает вопрос – можем ли мы получить этот настоящий искусственный интеллект с сегодняшними моделями, сегодняшней математикой, сегодняшними концепциями того, как работают мозг и компьютер?

Это также приводит нас к важным вопросам о таких вещах, как этика роботов. Мы все знаем о трех законах робототехники Азимова – роботы не могут причинять вред человеческим существам, они должны подчиняться человеческим существам и должны беречь себя, если это не противоречит первым двум законам. Мы уже размышляли над этим в течение многих лет, но мне крайне интересно, в самом ли деле машина похожа на человеческий мозг. Пока что это для меня один из действительно больших вопросов.

Еще один важный элемент – это воздействие на занятость. Если посмотреть на недавнюю динамику занятости, скажем, в Соединенных Штатах, можно увидеть, что есть две большие категории работ: есть неповторяющиеся когнитивные задачи, например, написать статью, выполнить научные исследования, провести терапию, обслуживать за столом в качестве официанта, быть сантехником – это нерутинная физическая работа, а есть множество рутинных задач, и число нерутинных рабочих мест возросло с 30 до 60 миллионов, а рутинные практически не изменились. Это говорит о том, что автоматизация затрагивает рабочие места с рутинным трудом, и так и будет продолжаться. Тогда вопрос сводится к тому, перехватят ли роботы и нерутинные работы, вроде тех, на которых заняты все мы. Вот этого, я думаю, опасаются все.

Если соединить все эти неопределенности, пути, ключевые вопросы и сроки, мы получим несколько сценариев. Один можно назвать «сценарием колосса» – поистине разрушительного гигантского компьютера, который создан по алгоритму «сверху вниз», супер-ИИ, который пытается захватить мир. (Я думаю, что это крайне маловероятный сценарий для любого ближайшего будущего, да и вообще какого-нибудь будущего. Его реализация очень трудна и займет очень много времени. Кроме того, мне кажется, что пути реализации этого сценария малореалистичны). С другой стороны, второй сценарий, малый ИИ, как я описывал выше, уже здесь. Он создан по алгоритму «сверху вниз», узкофункционален, очень полезен и делает мир намного производительнее.

Третий сценарий можно было бы назвать «универсальный помощник», и в некотором отношении это самый оптимистичный сценарий. Он придет немного позже, через несколько лет, возможно, пять или десять. По своим применениям он универсален. Он может быть создан «сверху вниз» и «снизу вверх». Его применение может быть разнообразным, но главное в том, что он дает каждому человеческому существу персонального ассистента, способного выполнять многие из наших задач в фоновом режиме. Люди, которые больше всего пострадают от персонального помощника, – это представители интеллигенции – бухгалтеры, юристы и подобные им. В ближайшие 10–15 лет мы практически точно будем иметь искусственный интеллект, способный решать такие задачи.

Затем, конечно, нужно сказать о сценарии сингулярности – намного позже может появиться супер-ИИ, но я думаю это крайне маловероятно и может случиться намного позже конца текущего века, если вообще когда-нибудь произойдет. А может, и никогда. Итак, возможные сценарии таковы – колосс, малый ИИ, универсальный помощник, сингулярность – этот разброс показывает неопределенности, которые мы имеем сегодня. Мы не знаем, что именно случится, так что же все эти рассуждения дают нам?

Во-первых, я думаю, что волна упомянутых мной малых ИИ не будет шагом к ОИИ. Риски занятости более реальны в краткосрочном периоде, но и они, на самом деле, плод воображения. Основное препятствие для прихода искусственного интеллекта – это недостаток воображения. В том смысле, что эта технология будет постоянно создавать новые категории рабочих мест и целые новые отрасли. В этом отношении история поддерживает оптимистов. Многие из нас делают то, чего раньше никто не делал. И это будет продолжаться. Так что в отношении ближайшего будущего я вполне оптимистичен.

Во-вторых, если и есть угроза, что ИИ перехватит власть, мы предупреждены о ней заранее – за много, много лет. У нас достаточно времени. К тому же понять, как работает мозг, перенести это в программный код и реализовать на каком-либо устройстве – настолько сложно, что это займет еще много десятилетий.

Самый большой риск – случайное формирование ИИ, которого мы не ожидаем. Но более реально, что еще один цикл внимания к ИИ прокрутится вхолостую. Эта третья волна интереса к ИИ с 1950-х и есть большой риск, что в этот раз мы не добьемся никаких существенных результатов и снова утратим общественное внимание. А когда-нибудь потом получим сюрприз.

Я не думаю, что риски, связанные с разумным ОИИ, достаточно высоки, чтобы сворачивать с этого пути. Но нужно, чтобы вся информация об этом была открыта и общедоступна, чтобы все могли участвовать. Еще надо сказать, что недавние статьи в New Scientist и The Economist об искусственном интеллекте обращали внимание на проблему гендера. Почти все исследователи искусственного интеллекта – мужчины, и в результате процесс исследований будет искажен в сторону мужского типа мышления. То есть, помимо прочего, нам нужно, что в этой области работало больше женщин.

Подводя итоги, я думаю, что мы находимся на стадии малого ИИ, вероятно, на пути к ОИИ, а может быть даже к супер-ИИ. Но тревожные сценарии пока относятся к настолько отдаленному будущему, что верным подходом на сегодня скорее будет бдительность, чем сдерживание. При этом нужно обращать внимание на то, как все более разумная окружающая среда уже сейчас преобразует жизнь людей.

Так что в кратко– и среднесрочной перспективе я умеренно оптимистичен, ведь инновации позволят повысить производительность труда и заняться массой новых задач. В отношении далеких перспектив я тоже свободен от предубеждений, так как вижу, что ОИИ и то, что находится за ним – очень сложная задача. Все правдоподобные пути к нему, как через понимание человеческого мозга, так и через формирующееся снизу вверх сообщество разумных устройств, занимают долгое время. Поэтому, если честно, я не слишком обеспокоен и испытываю осторожный оптимизм. Спасибо за внимание!

Когда были созданы первые компьютерные вирусы, их воспринимали с восторгом. Они казались искусственной жизнью, самокопирующимся компьютерным кодом, способным перепрыгивать с одного компьютера на другой. Они казались почти биологическими и как будто были совершенно новым видом. Новой формой жизни. Но теперь это уже так не выглядит. Компьютерные вирусы принесли нам киберпреступность и кое-что похуже. Об этом я и буду говорить сегодня. Но позвольте начать с некоторых цифр.

Компьютерные вирусы и вредоносные программы: в каких единицах нам их посчитать? В тысячах? В сотнях тысяч? Нет, в миллионах. И, к сожалению, ситуация только ухудшается.

Итак, самый первый вирус для IBM PC. (Помните IBM PC? Сколько из вас не знают, что такое дискета?) Самый первый вирус для IBM PC был обнаружен в 1986 году. 20 лет спустя количество обнаруженных вирусов дошло до миллиона – миллиона вредоносных программ. Однако теперь мы каждую неделю обнаруживаем свыше двух миллионов новых. Каждый день мы находим более 300 000 вредоносных программ – в Интернете, на зараженных компьютерах… где угодно. Вчера – порядка 300 000. Сегодня – порядка 300 000. Завтра – еще 300 000. На выходных, может быть, поменьше. И на Рождество поменьше. На Китайский Новый год – тоже поменьше. Карнавал в Бразилии или большой футбольный матч в Европе – поменьше. Но счет все равно на миллионы.

Хорошо, а что можно сказать о количестве пользователей, пострадавших от вредоносных программ? Сколько человек в этой аудитории все еще не пользуются компьютерами или смартфонами? Немногие, я думаю. Число пользователей компьютеров и смартфонов стабильно растет уже пару десятков лет. И число атак на пользователей тоже. Вот наши данные о проценте наших клиентов, которые были защищены от атак. То есть клиентов, которые были бы заражены, если бы не наша защита. Они соединены с нашим облачным сервисом, так что мы знаем, когда программа обнаруживает вирус – вредоносную программу. Три года назад их было 56 %: 56 % наших пользователей. Два года назад: 57 %. В прошлом году: 62 %. Таким образом, число атак возрастает и возрастает.

Киберпреступность – это быстро растущая экономика. Общий экономический рост за последние годы во многих странах был слабым, а рост экономики цифровых преступлений – наоборот, к сожалению. Хотелось бы, чтобы каждая национальная экономика в мире росла такими темпами, но, увы, в ближайшем будущем это маловероятно.

А сколько в мире зараженных компьютеров? Мы провели испытание и выяснили, что около 5 % всех компьютеров, подключенных к Интернету (не только у наших клиентов), активно заражены. Один из двадцати.

Сколько человек сейчас в этом зале? Около тысячи? Хорошо. Вы можете подсчитать, сколько из вас, вероятно, заражены. И если большинство из вас ученые, число зараженных компьютеров будет больше, потому что ученые не обращают никакого внимания на безопасность. На самом деле ученые – злейшие враги безопасности. Ну ладно, может не злейшие, но почти! Ученые очень заняты, они сосредоточены на других вещах, а не на безопасности. Понятно. Но все равно нехорошо. Так что же мы делаем, чтобы защитить наших пользователей – наших клиентов? Мы собираем все вредоносные программы в Интернете, загружаем их к себе, анализируем их и разрабатываем противоядие. «Готово, выпускайте». И мы должны делать это 300 000 раз в день. Решительно невозможно. Но, к счастью, 99,9 % этой работы выполняется автоматически. У нас есть компьютерные системы, которые анализируют вредоносный код. Мы обрабатываем огромное число файлов и приложений. Когда наши системы встречают новые файлы в первый раз, они не знают, хорошие они или плохие. Нам нужно изобрести технологии для распознавания хороших приложений – чтобы отделить их от плохих. Поэтому у нас есть распознавание образов, распознавание поведения, распознавание малейших признаков вредоносности. Все это сводится к изрядному количеству систем машинного обучения. Поэтому сотни наших инженеров каждый день разрабатывают роботов для борьбы с вредоносным кодом.

Как-то раз я спросил своих ребят: сколько электричества мы используем для всего этого машинного обучения? Они сказали мне – эквивалент того, что расходуют 3000 домов одновременно.

Теперь про операционные системы. Мы собираем информацию о вредоносных программах для всех операционных систем, которыми пользуются люди. Microsoft пока в лидерах с большим отрывом. В нашей коллекции свыше 400 миллионов уникальных вредоносных программ, компьютерных вирусов и троянов для Windows. Android догоняет, но пока находится на уровне ниже 20 миллионов. Следующий – Mac – 30 000. Почему так мало? Не потому, что продукт лучше. Не потому, что это безопасная операционная система – она так же уязвима, как и Windows. Это просто потому, что очень трудно найти разработчиков программ для Mac. И я думаю, то же относится к киберпреступности: они не разрабатывают вредоносное программное обеспечение для Mac, потому что для этого нет разработчиков. И я не думаю, что iOS – очень безопасная операционная система. Она относительно безопасна, но все же уязвима, что периодически становится заметно, когда атакам подвергаются айфоны и айпады.

Во что же это обходится мировой экономике, все эти миллионы вредоносных программ и огромное число зараженных компьютеров? На самом деле… я не знаю. Никто точно не знает, потому что мы имеем дело с преступниками. Они плохие ребята. Они не платят налогов. Они не отчитываются о своих доходах. Но есть оценки, которые говорят, что киберпреступность обходится мировой экономике в сумму от 400 до 500 миллиардов долларов в год: полтриллиона.

Но насколько это много? Например, это примерно 40 % ВВП Испании или 100 % ВВП Австрии. Я решил сделать расчеты для астрофизиков. Есть новый проект – возможно, вы о нем слышали – телескоп «Гагарин». Планируется построить 60-метровый оптический телескоп – это в 6 раз больше, чем Большой Канарский телескоп. Если проект будет запущен, о чем я молюсь неустанно, он обойдется в 2 миллиарда долларов. Так что киберпреступность каждый год обходится мировой экономике в 250 телескопов «Гагарин»[19]. Это очень много очень больших телескопов.

Позвольте проиллюстрировать, куда деваются все эти миллиарды… Как киберпреступники делают это? Как они все это воруют? Первый пример: банда киберпреступников «Карбанак». Это была очень профессиональная банда. Была, потому что большинство ее участников уже арестованы. Хотя некоторые этого избежали. Эти ребята были очень профессиональными хакерами, профессиональными преступниками. Я вовсе не хочу говорить добрых слов об их работе, но они в самом деле разработали фантастические программы. Они смогли заразить не кого-нибудь, а хорошо защищенные банки. Сначала они заразили компьютеры клиентской системы банков, их системы поддержки расчетных счетов и компьютеры отделов продаж. В результате, они смогли наблюдать, что происходит с компьютерными сетями. Они следили за поведением сотрудников, делая скриншоты их экранов. Тихо наблюдали и собирали информацию. В итоге они пробрались в компьютер системного администратора. После этого сеть была у них в руках. Они забрались в самое ядро банковской компьютерной сети. «Управляли» банком, отправляя переводы и выдавая деньги из банкоматов. В точно установленное время банкомат выплевывал наличные, а предупрежденные заранее уличные преступники подбирали их и убегали! Они платили фальшивые зарплаты фальшивым сотрудникам фальшивых компаний. Они совершили массу сумасшедших преступлений. Суммы, украденные в ходе этой атаки, в совокупности подобрались к одному миллиарду. Хотя, в конце концов, кого-то арестовали, и получилось подобие счастливого конца.

Следующий случай еще продолжают расследовать, но это тоже ограбление банка на миллиард. Нападению подвергся Центральный банк Бангладеш. Оно не было особенно замысловатым, но банк оказался на невысоком уровне кибербезопасности. В итоге провести хакерскую атаку оказалось проще, чем грабить в масках с дробовиками. Хакеры внедрились в сеть банка и осуществили перевод на сумму 81 миллион. Они собирались перевести еще 870 миллионов, но в этом переводе им было отказано. Почему? Опечатка: они собирались заплатить компании, в названии которой написали Fandation вместо Foundation. Вот вам самая дорогая опечатка в истории!

Но такие истории – всего лишь верхушка айсберга. Такие вещи происходят постоянно по всему миру, может быть, даже на Канарских островах.

Теперь о промышленных системах управления. Они очень компьютеризированы. Все, от электростанций и электросетей до транспортных систем и… телескопов, управляется компьютерами. Технологические процессы настолько сложны, что справляются только компьютеры, и к тем временам, когда Homo sapiens мог управлять процессами вручную, нет возврата.

В конце концов, если верить ученым, Homo sapiens представляет собой довольно старую «систему» – «систему», которая была изобретена примерно полмиллиарда лет назад. Компьютерные системы, с другой стороны, намного надежнее. Они лучше и точнее. Они не спят. Им не нужно платить зарплату. Нет отпусков. Нет профсоюзов! Они просто работают, и работают, и работают. Автоматизированные системы управляются компьютерной логикой, которая преобразуется в электрические сигналы, которые управляют физическими объектами. Телескоп вращается медленно – потому что компьютер посылает ему сигнал, заставляющий вращаться медленно.

Это называется SCADA[20]. Попросту говоря, это система преобразования данных в обоих направлениях между компьютерными и физическими системами. Как выглядит SCADA? Как комната управления на немецкой атомной станции; очень сложно, очень впечатляет, очень круто. Это SCADA.

Или как австралийская домашняя пивоварня; это тоже автоматизированная система, компьютер плюс ПЛК (программируемые логические контроллеры; по сути, специализированные компьютеры, которые прямо управляют определенными технологическими процессами) в белом шкафчике возле пива. Это тоже система SCADA.

Так или иначе, SCADA тоже делает ошибки.

Но я не буду говорить об ошибках SCADA. Я буду говорить о плохих парнях, которые вмешиваются в автоматизированные системы «обычным» преступным путем. К сожалению, эти «обычные» преступники проникли в киберпространство, но они не кибер-грабят банки, они не взламывают потребительские устройства. Они совершают кибератаки на автоматизированные системы, транспортные системы, производственные системы. Думаю, лучше будет привести несколько реальных примеров.

Первая разворачивается в Сибири – так я сам впервые услышал о такого рода атаках. Плохие парни сумели взломать автоматизированные системы сибирской угольной шахты. Зачем? Чтобы передать сообщение об объемах загруженного в вагоны угля, отличных от фактических объемов. (Я полагал, что в Сибири такие вещи все еще делают вручную, без этих модных компьютерных управляющих систем. И ошибался, но только в некоторой степени: там все полуавтоматическое). После этого соучастники преступников украли неучтенный уголь, а затем другая компания продала его!

Позвольте рассказать вам еще одну историю. Объем бензина зависит от его температуры – чем выше температура, тем больше объем. Несколько инженеров и менеджеров, вставших на путь киберпреступлений, взломали SCADA на нефтеперерабатывающем заводе, где они работали, чтобы подменять измеренную величину температуры бензина в системе, и таким образом, в цистернах оказывалось больше топлива, чем показывали измерения. Затем на заправочных станциях они сливали объем бензина, соответствующий реальной (более низкой) температуре, оставляя два-четыре процента «лишнего» топлива в цистернах.

Но самая яркая история об атаках на промышленные системы связана с морским портом в Антверпене. Латиноамериканские наркокартели экспортируют кокаин, зачастую используя, помимо прочего, морские контейнеры. Но как им обойти таможню и проверки безопасности? Вот новый способ, который был использован в Антверпене. Они наняли хакеров, чтобы внедриться в SCADA порта и удаленно управлять процессом выгрузки. Они знали, какие контейнеры содержат наркотики, и выгружали их в той зоне порта, к которой у них был доступ.

Теперь поговорим о будущем автоматизированных систем в терминах безопасности. Боюсь, что в будущем – то же, что в настоящем, только хуже, потому что кибертерроризм и киберсаботаж вещи не новые. Атаки на автоматизированные системы и инфраструктуру или очень похожи на кибертерроризм/саботаж, или фактически им являются.

В 2007 году была совершена кибератака на Эстонию, которая вызвала отключение Интернета по всей стране. Только представьте, сколько компаний были парализованы из-за невозможности выхода в Сеть. Потому что Интернет – это не только Facebook и тому подобное. Это еще и правительственные службы, финансовые службы и многое другое, что попросту остановилось.

В 2011 году была атака на саудовскую «Арамко», крупнейшую нефтегазовую компанию мира. С 30 000 ее компьютеров, серверов и архивов стерли все данные. Компания была парализована на две недели. Они продолжали добывать нефть, работники выходили на работу, танкеры приходили и уходили, но они не знали, что делать со всей этой нефтью. Они потеряли все данные!

Пару лет назад было сообщение об атаке на немецкий сталелитейный завод. К сожалению, у меня нет подробностей – только основные данные из отчета. Говорилось, что была заражена автоматизированная система (SCADA) и что хакеры дали команду на аварийную остановку. Аварийный капут.

В прошлом году из-за кибератаки произошло отключение электричества в нескольких областях Украины. В конце концов украинские электростанции и электросети послали инженеров вручную включать трансформаторные станции. Это было возможно только потому, что оборудование было старое. А в Европе – конечно, современные системы без возможности ручного управления.

Итак, это был путь от плохих новостей к новостям еще хуже и просто ужасным новостям. Вопрос в следующем: почему мы живем в средневековье кибербезопасности? Вот хорошо известный цикл научной революции Куна: преднаука – нормальная наука – дрейф модели – кризис модели – смена модели – смена парадигмы. Сначала появляется гениальная идея и что-то изобретается – колесо, например. И все счастливы, потому что это великая инновация. Великая технология. На ее основе создаются прекрасные продукты. Но когда что-то идет не так, начинаются проблемы. Нарушения безопасности при использовании колеса – ой, о них не подумали те, кто создал гениальную идею и модель. То есть следующий шаг – улучшить систему, сделать ее насколько возможно безопасной и надежной по конструкции. Это цикл инновации.

В информатике и компьютерных технологиях – то же самое. Мы видим результаты гениальных идей (таких как умные устройства) повсюду, даже в наших карманах. В определенном смысле они умные, но в отношении безопасности – не особенно. Так что у нас есть понимание проблемы. Следующий шаг – понять, как улучшить компьютерные системы, чтобы сделать их более безопасными и более защищенными. У меня есть идеи, как этого добиться, но мне потребуется еще хотя бы пара часов, чтобы их очертить. Если вкратце, идея в том, чтобы заново создать компьютерные системы на безопасных платформах. Они должны отличаться от систем, которые есть сейчас. Наша компания знает, как это сделать, и работает над этим. Над тем, как разработать защищенные системы, в первую очередь для критической инфраструктуры – электросетей, электростанций, транспорта, здравоохранения, финансовых услуг – киберсистемы, от которых мы зависим. Это огромное количество работы, колоссальная задача. Нам нужно защищать критическую инфраструктуру. И в конечном итоге нужно защитить все цифровое. У скольких людей уже есть умная кофеварка? В Японии уже у многих. Такие устройства – реальность сегодняшнего дня, не будущего. Кибертехнологии – всюду вокруг нас. Мы зависим от них, и мы должны защитить их. Мы должны реконструировать компьютерные системы, используемые в каждом отдельном устройстве, в том числе в телескопах.