10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА
Шрифт:
В современной научной и популярной литературе часто подчеркивается, что Большой взрыв следует рассматривать не в качестве обычного (хотя и крупномасштабного) непрерывного взрыва, а, скорее, в виде процесса раздувания гигантского шара (типа надувных детских шариков), на поверхности которого и размещено (или, если угодно, размазано!) все вещество воспринимаемой нами Вселенной. Впрочем, стоит отметить, что и эта аналогия достаточно расплывчата, поскольку поверхность раздуваемого шара в действительности соответствует именно воспринимаемому нами трехмерному пространству. Поэтому иногда используется еще более простая метафора: рост Вселенной уподобляют выпеканию обычной булки с изюмом (по мере разбухания теста при выпечке изюминки «разбегаются» друг от друга подобно галактикам в просторах космоса). Это различие (расширение вместо непрерывного взрыва) может показаться, на первый взгляд, искусственным и несущественным, однако оно еще раз напоминает нам, что развитие Вселенной представляет собой весьма сложный
В настоящее время считается, что размер возникающих при раздувании Вселенной галактик впоследствии не изменяется, так как мощные силы гравитации быстро формируют из них устойчивые структуры (спирали, эллипсоиды и т.п.), которые в непонятном для нас ритме «вальсируют» в космических глубинах. Остается лишь поражаться тому, что вся эта немыслимая по размерам, величественная Вселенная могла возникнуть из ничтожной точки за сверхмалые доли секунды.
Внимательный читатель наверняка уже заметил, что описываемая безумная теория весьма напоминает библейский акт сотворения мира. Астрономы и физики никак не могут договориться по основному вопросу – как выглядел мир (что было? что могло быть? чего не могло быть?) до момента первичного взрыва? Неужели Вселенная действительно просто возникла из небытия, буквально из «ничего»? Вспоминается точная и горькая фраза шекспировского короля Лира («…из ничего рождается только ничего!»), когда он говорит о правах наследования в своем крошечном королевстве, т. е. о ничтожном событии в пространственно-временном континиуме мира и вечности. Что же может означать эта фраза в отношении к самому пространству-времени, определяющему развитие Вселенной?
С другой стороны, физики полагают, что никакой материи до взрыва действительно не существовало (по крайней мере, в известной нам форме), однако могли присутствовать какие-то мгновенно возникающие и исчезающие искры в квантовом «тумане», способные в нужный момент активировать или «оплодотворить» упоминавшееся космическое яйцо. Другими словами, даже в описываемом, трудно представи-мом состоянии мира до взрыва присутствовали (или просто ожидали момента реализации своего присутствия!) какие-то до-атомные частицы вещества.
Впрочем, об всем этом мы можем только догадываться или фантазировать. Нам известно всего лишь то, что в какой-то момент «нить времени» была разорвана каким-то квантом «невероятности», результатом чего и стал процесс сотворения мира, о котором вы читаете в этой книге.
Момент рождения Вселенной называют временем Планка, в честь великого физика Макса Планка. Этот момент, который можно обозначить словами «великая сингулярность», поскольку до него не существовало ничего, в том числе и никаких законов физики, был настолько кратким, что его трудно даже выразить в понятной человеку форме. Запись имеет вид 0,0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 001 сек, т. е. 10-43 секунды! Если правы сторонники модной сейчас среди физиков теории струн (существует, по меньшей мере, пять основных вариантов этой теории), то до момента сингулярности существовало от 10 до 26 измерений пространства, но именно в эпоху Планка они за очень короткий промежуток времени аккуратно «свернулись» в привычное нам четырехмерное пространство-время.
Что происходило дальше? Между нашей Вселенной и миром времени Планка существует немыслимый барьер, так что мы не знаем даже того, формировались ли основные физические характеристики нашего мира хаотически или в них были какие-то скрытые закономерности. Космологи полагают, что четыре типа известных в настоящее время физических сил (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия) в этот момент уже существовали, но были каким-то образом связаны, образуя некое единое взаимодействие.
Сингулярность закончилась через 10~ 43 секунды после сотворения мира, в результате чего образовалась очень небольшая величиной с протон или достаточно большая размером с острие иголки, т. е. около 0,1 мм, сфера. Главное в том, что в период Планка все вещество нашего мира, образующее чуть ли не 50 миллиардов галактик (расположенных в наблюдаемой нами области размером порядка 13 миллиардов световых лет), было сжато и сконцентрировано в исключительно малом объеме. Космическое яйцо формировалось в мутном бульоне, где еще не существовало даже атомов, а «болтались» только субатомные элементарные частицы,типа электронов и нейтрино. Для образования знакомых нам атомов должно было произойти разделение четырех упомянутых фундаментальных физических взаимодействий, а к концу эпохи Планка из них выделилась только гравитация (остальные три оставались слитыми в единое целое).
К концу эпохи Планка (примерно 10~36 секунды) начался этап расширения Вселенной, который физики иногда называют просто раздуванием в продолжение упомянутой аналогии с надувным детским шариком. В соответствии с идеями, внесенными в теорию Большого взрыва специалистом по элементарным частицам Аланом Гутом в 1980 г., миллиарды частиц начали разлетаться из космического яйца практически одинаково по всем направлениям. Мы не знаем, что стало причиной этого события (возможно, какие-то ничтожные изменения в энергии состояния), но за какие-то доли секунды Вселенная чудовищно разбухла, высвободив фантастическое количество энергии, которая стала стремительно превращаться в материю, т. е. создавать то, что мы сегодня называем веществом и можем видеть или регистрировать своими приборами. Одновременно распалась связь между тремя оставшимися фундаментальными взаимодействиями, в результате чего так называемые сильные (ядерные) взаимодействия начали создавать атомарные структуры, электромагнитные взаимодействия – более сложные (молекулярные) структуры из этих атомов, а так называемые слабые взаимодействия стали регулировать некоторые процессы радиоактивного распада. На сегодня теория Гута наилучшим образом описывает расширение, приводящее к возникновению относительно однородной Вселенной с достаточно равномерным распределением галактик и температурных полей. В соответствии с этой теорией, все образовавшееся за эпоху Планка вещество почти мгновенно заполнило весь возникший объем, вследствие чего в целом мир остался однородным, т. е. сохранил некие средние значения температуры и плотности (если так можно назвать степень заполнения мира галактиками). Говоря упрощенно, однородность Вселенной является следствием того, что все вещество мира возникло действительно одновременно и в одной точке.
Расширение Вселенной продолжалось всего 10~33 секунды, а уже к концу первой секунды после Большого взрыва почти все вещество перешло в форму адронов (тяжелых субатомных частиц), образуемых кварками. Температура при этом понизилась от бесконечности примерно до 3 триллионов градусов по шкале Кельвина и это позволило кваркам начать объединение друг с другом и формировать нейтроны и протоны, что было невозможно при более высоких энергиях. Некоторые комбинации кварков оказались слишком сложными, не смогли «выжить» и исчезли в результате распада. По мере остывания Вселенной в ней начали происходить и другие, более медленные процессы развития, например образование лептонов, вследствие чего этот этап развития называют лептонной эпохой.
На этом этапе температура снизилась примерно до 10 миллиардов градусов по шкале Кельвина, что позволило возникнуть следующему поколению элементарных частиц, так называемым лептонам, к которым относятся легкие атомные частицы (электрон, нейтрино, мюоны и их античастицы), вследствие чего примерно через 60 секунд после Большого взрыва началась эпоха синтеза ядер, продолжавшаяся около 2 минут. После этого температура понизилась примерно до 1 миллиарда градусов, а средние энергия и плотность стали подобны тем, которые мы можем наблюдать сейчас внутри молодых звезд, где идет непрерывный синтез атомов гелия при одной из важнейших термоядерных реакций. Известно, что этот процесс имеет три стадии: 1) нейтрон захватывает протон, образуя ядро дейтерия; 2) дейтерий превращается в тритий после захвата следующего протона; 3) тритий соединяется с дополнительным протоном, образуя устойчивое ядро гелия из двух нейтронов и двух протонов. Неудивительно, что за эту эпоху было создано огромное количество ядер атомов гелия и лишь очень небольшое число стабильных ядер дейтерия и лития. Это обстоятельство имеет особое значение, поскольку относительное содержание трех указанных типов атомов характерно для этапа образования элементов и останется неизменным в течение всего дальнейшего расширения Вселенной (от 12 до 20 миллиардов лет).
В настоящее время гелий составляет примерно четверть от общей массы Вселенной, и именно синтез гелия внутри звезд предлагался упоминавшимися выше теоретиками из Принстона во главе с Дике в качестве основного механизма, ответственного за распространенность элементов в существующем мире.
Итак, прошло примерно три минуты после Большого взрыва. Закончилось бурное образование гелия и доминирующую роль в развитии мира стало играть излучение (в первую очередь, высокоэнергетические рентгеновские лучи), вследствие чего всю последующую длительную эпоху (около 300 000 лет) называют радиационной. Первые 10 000 лет в центре Вселенной горел чудовищный огненный шар, но постепенно количество энергии, превращающейся в вещество, стало сравниваться с количеством, преобразующимся в энергию, что стало исключительно важной вехой в развитии Вселенной, поскольку именно с этого момента началось образование привычных нам атомов. Дело в том, что только после установления такого равновесия фотоны (крошечные квантовые частицы) получили возможность свободно распространяться, так как до этого их движение ограничивалось непрерывными процессами столкновения и рассеяния на электронах. Попросту говоря, до этого никакой наблюдатель, даже если мы вообразим себе фантастическую возможность его существования, не мог бы наблюдать извне (хотя никакого «извне» тоже еще не существовало!) описываемые события, так что первые 300 000 лет истории мира буквально «скрыты во мгле», и, следовательно, ни одна из многочисленных в истории искусства попыток нарисовать или как-то описать зарождение мира не имеет никакого смысла или значения.