Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Эткинз Питер

Рис. 8.4.История фридмановской Вселенной. Если плотность Вселенной меньше определенной величины, то она «открыта» и расширяется вечно. Если плотность Вселенной больше этой величины, то она «замкнута» и после начальной фазы расширения сожмется обратно к Большому Хлопку. Если плотность Вселенной в точности равна критической, она будет расширяться вечно, но постепенно останавливаться при времени, приближающемся к бесконечности. Современные измерения заставляют предположить, что Вселенная не является замкнутой. Имеются новые наблюдаемые свидетельства в пользу предположения о том, что Вселенная открыта и, может быть, недавно вошла в фазу ускорения.

На сегодняшний день космологи верят, что Вселенная является ни открытой и ни замкнутой, она является «плоской». Плоская Вселенная похожа на открытую Вселенную по характеру расширения, и

ее масштаб будет растягиваться всегда, но ее расширение постепенно замедляется и становится бесконечно медленным, когда масштаб приближается к бесконечности. В плоской Вселенной, как и в открытой Вселенной, не существует предела для удаления друг от друга двух точек, разделенных сегодня одним метром. Следствием плоскости, так же как и открытости, является то, что Вселенная всегда имела бесконечную протяженность, и поэтому Большой Взрыв происходил всюду в бесконечном объеме пространства. Когда люди говорят, что Вселенная была изначально очень маленькой, они имеют в виду — им следует иметь в виду, — что масштаб был изначально крайне малым и что две точки, разделенные теперь расстоянием в 1 метр, были разделены тогда мельчайшей долей метра. При том огромном количестве вещества, которое было спрессовано в крошечном пространстве, вы можете представить себе, какова была его плотность; фактически оно было примерно в 10 ⁹⁷раз более плотным, чем вода. И оно было таким плотным везде, везде в бесконечном объеме Вселенной было, всегда было и всегда будет, ужасно много.

И последней подготовительной деталью, иногда мешающей пониманию, является то, что, несмотря на возрастание масштаба Вселенной со временем, объекты, которые она содержит, не становятся больше. Мы сами и наши измерительные палочки со временем не расширяемся, как и расстояния между звездами внутри Галактики. Есть несколько способов понять это, иногда ставящее в тупик, явление. Простейшим является принятие той точки зрения, что описывающие расширение решения Фридмана основаны на модели, в которой вещество берется усредненным по всей Вселенной, а галактики представлены просто точками, указывающими положение в пространстве. Увеличение масштаба относится только к этой «усредненной Вселенной» и умалчивает о поведении крошечных систем, населяющих пространство. Другим способом прийти к тому же заключению является замечание, что если две точки, такие как две звезды в галактике, связаны вместе силами притяжения, то растяжение масштаба не превозмогает эти силы, и точки остаются на том же самом расстоянии друг от друга, как бы долго мы ни ожидали.

Более утонченный пуристский способ понимания этого мудреного, но важного обстоятельства состоит в том, что решения Фридмана говорят нам о том, как две точки будут двигаться друг от друга, при условии, что они двигались друг от друга изначально. Это немного похоже на уравнения движения Ньютона, которые говорят нам, как вычислить положение летящего мяча, если мы знаем, как быстро он летел первоначально. Если мяч покоился, то, как бы долго мы ни ожидали, он будет оставаться на том же месте. Подобным же образом, если две точки в пространстве — ваша голова и пятки — не двигались врозь изначально, то, как бы долго мы ни ожидали, они будут оставаться в том же относительном положении. Расширение Вселенной растягивает нас не в большей мере, чем мяч, покоящийся в классической физике, двигается к другому месту.

С учетом этих замечаний, настало время подойти к истокам нашей истории. На планковском времени предполагается, что все силы, удерживающие вещество вместе (гравитационное, электрослабое и сильное взаимодействия, обсуждавшиеся в главе 6), имели одинаковый уровень, но когда Вселенная охладилась ниже планковской температуры, гравитационные силы отделились от двух других. Две оставшиеся по-прежнему имели одинаковый уровень и передавались безмассовыми бозонами. Потом века не происходило ничего существенного. Более точно, электрослабое и сильное взаимодействия сохраняли одинаковые уровни в течение 10 миллиардов тиканий (планковских времен), произведенных планковскими часами, до момента, который мы назвали бы одной миллиардно-триллионно-триллионной секунды (10 ^{– 33}с) после Взрыва. Использование тиканья наших собственных тяжеловесных часов тут неуместно, так как наши часы спроектированы для удобства людей, и тиканье часов в столичных холлах не приспособлено для обсуждения событий в очень молодой, очень горячей и очень плотной Вселенной. Начальное расширение Вселенной, если измерять его в естественных единицах, планковских тиканьях, было чрезвычайно медленным — как переползание плесени, принявшей снотворное; с этой точки зрения легко понять, как много изменений может произойти за время, которое мы, тяжеловесные, летаргические гиганты назвали бы одним морганием.

По прошествии этого огромного времени (10 миллиардов планковских тиканий, которые вы и я назвали бы одной миллиардно-триллионно-триллионной секунды )температура упала достаточно низко для того, чтобы сильные взаимодействия отделились от электрослабых, так что с этого времени в еще более холодной Вселенной они выглядят несвязанными. И снова события во Вселенной, казалось, замерли. Вселенная расширялась, и ее температура падала, но нам придется ждать почти вечность — чтобы быть точным, пока планковские часы не протикают 10 ³⁰раз, — пока хоть что-то заметное случится в этом необычайно ленивом мире. Вы можете поддаться искушению представлять себе это ожидание как еще одно моргание, как одну десяти-триллионную секунды (10 ^{– 13}с), но это даст вам неправильное представление об ужасной медлительности событий в ранней Вселенной, и вы можете удивляться, как вообще что-нибудь успело произойти. К этому времени масштаб Вселенной расширился до огромного размера в 10 ¹⁵планковских длин. Конечно, будучи измерен в единицах, больше подходящих для последующих эпох, он кажется нам очень маленьким, ведь точки, которые сегодня стал разделять один метр, тогда разделяло только 10 ^{– 20}м, но мерки фермерского двора не приложимы здесь совершенно и лишь сбивают с толку. Вселенная охладилась до 10 тысяч триллионов градусов (10 ¹⁶К), температуры, достаточно низкой для того, чтобы скалярные частицы (возможно, бозоны Хиггса) приклеились к W- и Z-бозонам, наделив их массой и тем самым ограничив их радиус действия и сделав слабое взаимодействие отличным от электромагнитного на все оставшееся время. Вселенная теперь так холодна, что взаимодействия приобрели самостоятельные индивидуальности и стали различными навсегда.

Еще не существует ничего, что мы могли бы идентифицировать как вещество: температура еще чудовищно высока, и термическое движение растаскивает все, что может начать слипаться под влиянием сил. Первыми формами вещества, кристаллизующимися из этого ада, когда его температура падает, являются нуклоны (протоны и нейтроны), образующиеся, когда кварки стягиваются вместе сильным взаимодействием. Это слипание может произойти только, когда температура упала до чрезвычайно холодных 10 триллионов градусов (10 ¹³К). Холодно? Ну, это очень холодно в планковской шкале, поскольку составляет только 10 ^{– 19}планковских градусов выше абсолютного нуля. Это чрезвычайно горячо, конечно, в повседневной шкале температур, но эта шкала введена для сообщений о нашей земной погоде, и ни в малейшей степени не является фундаментальной.

Теперь я ослаблю мое настойчивое стремление рассуждать в терминах фундаментальных единиц и обращусь к меркам фермерского двора, так как на этой стадии эволюции Вселенной они являются много более удобными, чем планковские естественные единицы. Однако вам следует иметь в виду, что моргание на самом деле является в условных единицах эпохой почти неизмеримой длительности. То, что кажется нам мимолетным, может быть цепочкой бесчисленных событий в естественных, фундаментальных единицах. Полет пули со скоростью звука на расстояние ширины атомного ядра длится почти вечность, сто триллионов триллионов (10 ²⁶) планковских тиканий.

Через секунду после начала, стряхнув с себя вещество, от него отделились нейтрино. Никогда больше они не будут заметно взаимодействовать с ним, и с этого момента будут летать по Вселенной почти беспрепятственно, свободно несясь в пространстве и проницая планеты, как если бы они были почти прозрачными кристаллическими сферами. Если бы у нас были глаза для созерцания нейтрино, почти безмассовых частиц со спином и ароматом, мы видели бы мир почти пустым, наполненным здесь и там лишь призрачными тенями.

С первого взгляда мы можем ожидать, что нейтринное небо будет ярче фотонного, поскольку в нейтрино сохранился отпечаток Вселенной в форме ее температуры в момент их первичного отделения, и продолжающееся расширение Вселенной охладило их меньше. Но, на самом деле, фоновые нейтрино холоднее, чем фоновые микроволны: их температура немного ниже 2 градусов над абсолютным нулем. Причиной большей прохладности нейтринного неба является то, что различные события, особенно столкновения электронов с их античастицами позитронами, увеличили число фотонов и повысили яркость, а значит, и температуру микроволнового неба. Через три минуты после начала температура упала до 1 миллиарда градусов. Было так холодно (только 10 ^{– 23}планковских градусов), что в этих арктических условиях даже нуклоны смогли склеиться вместе, образуя дейтерий (тяжелый водород с ядром, состоящим из нейтрона, склеенного с протоном) и гелий (два протона и два нейтрона, склеенных вместе). Вычисления показывают, что, когда температура продолжала падать, эта эпоха Вселенной произвела 23 процента гелия, 77 процентов остаточного водорода (неприсоединенные протоны) и намеки на более тяжелые элементы (литий и бериллий, например, с тремя протонами и четырьмя протонами соответственно и несколькими нейтронами, прицепленными к ним и помогающими удерживать протоны вместе). Распространенность гелия критическим образом зависит от числа типов нейтрино и несовместимо с любым числом, большим четырех. Как мы видели в главе 6, существуют три известных аромата нейтрино, что удовлетворяет этому ограничению. Но гораздо более важно то, что мы видим, какими масштабными — в данном случае это распространенность гелия во Вселенной — являются следствия идей, происходящих в результате изучения очень малого. Эта взаимная совместимость знаний, происходящих из изучения огромного и мельчайшего, вдохновляет на еще большее доверие к достижениям науки.