Согласно современным космологическим теориям, Большой взрыв создал лишь чистую энергию. Обладающие конечной массой покоя частицы – такие, как электроны и кварки, из которых возникли протоны и нейтроны (то есть ядра всех атомов, составляющих материю), получили свою массу от бозона Хиггса. Лишенной массы покоя осталась лишь одна частица – фотон, вездесущая частица света.
Важно, однако, понять, что эксперименты на Большом адронном коллайдере, имитирующие события, происшедшие в ходе Большого взрыва, не создают материю «из ничего». Протоны разгоняются в туннеле под действием мощного магнитного поля, которое заставляет их лететь по кругу. Установка потребляет электроэнергию в количествах, достаточных для обеспечения крупного города.
Существующим частицам придается кинетическая энергия (энергия движения) за счет электрической, преобразованной в электромагнитные поля. При столкновении частиц выделяется столько же энергии, сколько они ее получили в результате разгона (плюс их энергия покоя, рассчитанная по формуле Эйнштейна), и эта энергия порождает новые частицы. Помимо всего прочего, эти процессы демонстрируют один из основополагающих физических законов – закон сохранения энергии: энергия (в форме массы, излучения или движения) просто меняет форму, но ее нельзя ни создать, ни уничтожить. В этом процессе энергия не возникает «из ничего».
Эйнштейн понял, что новый взгляд на физику, раскрытый им в частной теории относительности, повлияет на понимание природы гравитации и механизмов ее действия. Понимал Эйнштейн и то, что его принцип относительности поколеблет величественное здание теории механики, возведенное Ньютоном. Когда объекты начинают двигаться очень быстро, их массы резко увеличиваются, и для таких случаев необходимо вводить поправки в механику Ньютона.
Для того чтобы создать Общую теорию относительности, которая включала бы в себя как частный случай систему Ньютона, потребовалось несколько лет напряженной работы в области математики. Наконец, на исходе 1915 года, через десять лет после создания частной теории относительности, Эйнштейн представил полную релятивистскую теорию тяготения: Общую теорию относительности. Она была опубликована в 1916 году. Уравнения Эйнштейна, созданные для этой теории, отличаются математически четкой симметрией и структурой, то есть качеством, каковое математики и физики-теоретики называют изяществом. Уравнения эти точны и лаконичны: они содержат все, что необходимо для модели сложной физической системы, но ничего лишнего. Выражаясь словами самого Эйнштейна, они были «просты, насколько это возможно, но не более того». Во всяком случае, они послужили своей цели – релятивистскому объяснению всемирного тяготения.
В Общей теории относительности Эйнштейн утверждает, что пространство искривляется вокруг массивных объектов; и в этом смысле Общая теория относительности является геометрической теорией, так как показывает, что под влиянием гравитации изменяется геометрия пространства-времени. Массивные объекты искривляют пространство вокруг себя. Пространство и время объединяются в новое понятие – пространство-время.
Эйнштейну было нужно физическое доказательство справедливости теории, и оно было представлено английским астрономом и физиком Артуром Эддингтоном, секретарем Королевского астрономического общества. Во время Первой мировой войны Эйнштейн не мог посылать письма в Британию, так как она была вражеской страной, и тогда он передал Эддингтону ряд своих статей через друга, нидерландского физика Виллема де Ситтера, жившего в нейтральной Голландии. Таким образом, Эддингтон познакомился с Общей теорией относительности намного раньше, чем остальные ученые, жившие за пределами Германии.
Будучи убежденным пацифистом, Эддингтон отказался служить в армии во время войны. Учитывая, что он был известным ученым, создавшим важные теории происходящих внутри звезд процессов, Британия дала ему разрешение не вступать в ряды вооруженных сил. Эддингтон продолжал заниматься наукой. Он организовал экспедицию на расположенный в Атлантическом океане остров Принсипи для наблюдения за солнечным затмением, которое должно было произойти 29 мая 1919 года. Другая группа ученых отправлялась в Бразилию наблюдать то же самое затмение. Обе группы должны были исследовать поведение света звезд, глядя на Солнце – точнее, на то место, где Солнце пряталось за Луной во время полного затмения. Задача заключалась в том, чтобы выявить отклонения лучей звездного света, которые должны происходить, если справедлива Общая теория относительности.
Несмотря на риск заболеть малярией, на обилие ядовитых змей и отвратительный климат, экспедиция увенчалась успехом: обеим группам, на Принсипи и в Собрале, удалось сделать фотографии, подтверждавшие, что вокруг Солнца происходит именно такое искривление звездного света, какое предсказывала Общая теория относительности (в пределах статистической погрешности). После того как экспедиции вернулись в Британию и представили научному сообществу свои результаты, Эйнштейн в один день стал всемирной знаменитостью.
С тех пор Общая теория относительности подтверждалась многими экспериментами, в которых были верифицированы ее предсказания. Общая теория относительности помогла разрешить загадку смещений перигелия Меркурия – ближайшей к Солнцу точки его орбиты. До тех пор никому не удавалось объяснить эти смещения с точки зрения механики Ньютона. Было подтверждено существование предсказанных Общей теорией относительности черных дыр при помощи наблюдения материи, которая исчезает в них, испуская при этом рентгеновские лучи. Ученые наблюдали множество других феноменов, которые теперь можно было объяснить исходя из Общей теории относительности. Один из таких феноменов – гравитационное красное смещение: длина волны света увеличивается под воздействием гравитации.
Общая теория относительности Эйнштейна изменила наш взгляд на природу. Еще до подтверждения справедливости этой теории Эддингтоном Эйнштейн попытался приложить выводы своей теории к Вселенной как целому. Он решил построить общую релятивистскую модель всей Вселенной, то есть решить задачу, которая казалась ученым непосильной. Всем, но не Эйнштейну.
К 1917 году Эйнштейн разработал космологическую модель всей вселенной. Основываясь на астрономических знаниях своего времени, он допустил, что «Вселенная» – это наша Галактика, Млечный Путь. Андромеда, ближайшая к нам другая галактика, видимая в безлунную ночь невооруженным глазом, считалась в то время туманностью в пределах Млечного Пути. Согласно уравнению Эйнштейна, Вселенная не может быть статичной. Однако поскольку Эйнштейн был уверен в том, что наша Галактика не расширяется и не сокращается, ему пришлось «остановить» свою теоретическую Вселенную, и он добавил в уравнение коэффициент, названный им «космологической постоянной». Таким образом, он получил формулу, в которой Вселенная стала застывшей и статичной, и у такой Вселенной не было начала и не будет конца.
Космологическая константа продержалась в уравнении Эйнштейна до начала 1930-х годов, до поездки ученого в Калифорнию, где он познакомился с Эдвином Хабблом. Хаббл рассказал Эйнштейну о своем открытии, сделанном в 1929 году. Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. К такому выводу он пришел на основании движения отдаленных галактик, которое он со своими сотрудниками Весто Слифером и Милтоном Хьюмасоном наблюдал в обсерватории Маунт-Вилсон с помощью двухсотпятидесятисантиметрового телескопа-рефлектора. В то время Хаббл, возможно, еще не понимал, что сам факт расширения Вселенной говорит о том, что изначально она была очень мала. Теперь это начало называют Большим взрывом.
Совершенно по-иному начало Вселенной (и это естественно) изложено в библейской книге Бытия, написанной отнюдь не учеными около трех тысяч лет назад: вначале не было ничего, а потом Бог создал Вселенную. Авторы книги Бытия понимали, что космос должен иметь начало. Напротив, многие великие ученые начала XX века верили в то, что Вселенная существовала всегда. Эйнштейн был среди них с 1917 по 1932 год. Однако в данном случае Библия оказалась права.
Я далек от мысли прибегать к Библии как к источнику информации о возникновении Вселенной, но хочу подчеркнуть этот пункт, чтобы показать читателю, что наука, основанная на неверных предпосылках, приводит к неверным выводам. Прежде чем говорить, что мы точно знаем, как возникла вселенная, нам следует хорошенько проанализировать научные данные.
Интересно, что теорию Большого взрыва разработали не астрономы, открывшие расширение Вселенной (Слифер, Хьюмасон и Хаббл). Теорию эту предложил бельгийский католический священник. В 1927 году Жорж Леметр, посвященный в духовный сан католический священник, поступил в Массачусетский технологический институт, чтобы изучать математику. Впоследствии он экстраполировал данные, полученные Хабблом, Слифером и Хьюмасоном, назад по шкале времени и пришел к выводу, что если Вселенная расширяется, то в прошлом она была тем меньше, чем более ранние отрезки времени мы будем рассматривать. Пользуясь математическим аппаратом, Жорж Леметр смог отмотать назад пленку исторического кинофильма о развитии Вселенной до ее возникновения и показал, что она, как об этом написано в Библии, и в самом деле имеет начало.
