Вселенная с нуля. От Большого взрыва до абсолютной пустоты

скачать книгу бесплатно

Вероятно, именно благодаря фазе ускоренного расширения Вселенная обрела достаточно внушительные размеры, а наблюдаемая ее часть стала удивительно однородной, изотропной и плоской.

Всматриваясь в небо со всех возможных точек, астрономы убедились, что наблюдаемая ими Вселенная не только однородная и изотропная, но также пространственно-плоская. Однородность Вселенной означает, что на больших масштабах плотность материи в ней всюду примерно одинакова. Изотропность предполагает, что, аналогично, на очень больших масштабах структура наблюдаемой Вселенной повсюду идентична, каким бы ни было направление луча зрения. Другими словами, у Вселенной нет центра. А выражение «плоская Вселенная» значит, что на любых масштабах сумма углов треугольника равна ста восьмидесяти градусам – будь Вселенная, к примеру, сферической, это было бы не так. Наблюдения того же реликтового излучения, называемого еще «космическим микроволновым фоном», которые недавно были выполнены европейским космическим зондом «Планк», подтвердили все три характеристики.

Однако, чтобы эти выводы согласовывались с теорией Большого взрыва, следует допустить, что сразу после планковской эпохи за ничтожно малую долю секунды размер Вселенной с огромной скоростью увеличился в невероятно огромное количество раз: 10

(единица с пятьюдесятью нулями!). В результате этого мощного раздувания – инфляции – микроскопический объем однородной первичной Вселенной увеличился до огромных размеров, гораздо больших, чем те, в которых мы способны наблюдать ее сейчас. И она не стала при этом менее однородной. Космическая инфляция определила и плоский характер Вселенной, напоминающей надуваемый воздушный шар. Вначале такой шар имеет вполне явную кривизну, но чем больше он раздувается, достигая, к примеру, размеров нашей планеты, тем существеннее сглаживается кривизна, почти исчезая под конец. Ведь и Земля нам кажется плоской, когда мы на ней стоим?

Растягивание пространства до гигантских масштабов удаляет из него все следы кривизны; кроме того, это потрясающее раздувание вымывает из него и все признаки анизотропии. Вдобавок во время фазы инфляции крошечные квантовые флуктуации, действовавшие в микроскопических исходных объемах, тоже приобретают космические масштабы. Запечатлевшись навсегда в реликтовом фоновом излучении, эти флуктуации несли в себе зародыши будущих гигантских структур мироздания. Для подобных результатов необходимо, чтобы первичная Вселенная находилась под действием некоего ускоряющего фактора – чего-то вроде «темной энергии», ответственной за обнаруженное космологами в конце ХХ века ускорение расширения Вселенной. Эта ускоряющая сущность, обладающая огромной плотностью энергии, должна была распасться на частицы, ознаменовав таким образом конец стадии инфляции и рождение материи.

? СМ. ТАКЖЕ

Большой взрыв (Начало расширения)

Планковская эпоха (5 · 10

секунд после начала расширения)

Вселенная становится прозрачной (380 тысяч лет после начала расширения)

Образование крупных структур (13,7 миллиарда лет назад)

Расширение Вселенной ускоряется (4,8 миллиарда лет назад)

10

секунд после начала расширения

Возникновение материи

Из квантового вакуума возникла материя, состоящая из частиц, в том числе и из частиц темной материи, – эти процессы могут быть воспроизведены на крупнейших ускорителях нашей планеты.

До окончания инфляции пространство остается пустым, в квантовом смысле этого термина. Тем не менее его постоянно бороздят группы виртуальных частиц, возникающих из небытия, чтобы немедленно туда же и вернуться. Огромное количество энергии, выброшенное в пространство к концу эпохи инфляции, используется виртуальными частицами для выхода в реальный мир – вместе с античастицами. Все эти частицы вовлекаются в безумную пляску, в которой за всяким актом материализации тут же следует обратный процесс аннигиляции.

Среди частиц, возникающих в вакууме, присутствуют и частицы знакомой нам материи, те, из которых созданы звезды и люди и которые прекрасно описываются стандартной моделью физики частиц. Стандартная модель позволила сделать огромный шаг в количественном понимании бесконечно малого, однако для объяснения многих феноменов Вселенной физикам необходима и другая форма материи, которую они назвали темной.

В основном эта темная материя вступает в гравитационные взаимодействия, играя роль дополнительного невидимого, но преобладающего элемента, смешанного с нашим чисто атомным миром, и служащего связующим и стабилизирующим звеном для крупных структур. Несомненно, было бы более уместным назвать эту материю «невидимой» либо «прозрачной»…

Темная материя, чтобы сыграть все назначенные ей физиками роли, должна по идее состоять из массивных частиц, нечувствительных к воздействию электромагнетизма (иначе темная материя не была бы невидимой) и сильного взаимодействия (иначе частицы темной материи перегрузили бы ядра атомов).

Ни одна из частиц стандартной модели не соответствует этим условиям. Таким образом, физикам пришлось обратиться к гипотетическим частицам, которые получили нежное имя WIMP (от англ. Weakly Interacting Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы). Физики полагают, что наилучшим кандидатом на звание вимпа может стать нейтралино – нейтральная, массивная и стабильная частица, чье существование предсказано теорией суперсимметрии, согласно которой каждой частице стандартной модели соответствует гораздо более массивный аналог. Физики, занимающиеся исследованием микрочастиц на Большом адронном коллайдере LHC (Large Hadron Collider), где происходят самые мощные столкновения частиц в мире, уже показали верность этого предположения, открыв бозон Хиггса, краеугольный камень стандартной модели. И они по-прежнему надеются исследовать темную материю, создав ее искусственно, но пока это не получается. Природа темной материи – одна из редких загадок физики, которая не поддается решению уже более трех четвертей века…

? СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10

секунд после начала расширения)

Материя побеждает антиматерию (10

секунд после начала расширения)

10

секунд после начала расширения

Первичный хаос

Барионная составляющая материи находится в состоянии чего-то типа супа, в котором кварки, антикварки и глюоны бешено мечутся в беспрерывном клокотании аннигиляций и материализаций.

После невероятной фазы инфляции Вселенная замедляет скорость расширения до гораздо более скромных значений, уже вполне сравнимых с теми, которые будут действовать в последующие миллиарды лет. Вселенная одновременно продолжает остывать, но ее температура все еще выше тысяч миллиарда градусов. Барионная составляющая материи находится в состоянии, называемом «кварк-глюонной плазмой». Термин «плазма» применяется здесь по аналогии с облаками электронов, в которых плавают ионы и атомные ядра, образующиеся, к примеру, в пламени или во время удара молнии.

Эта плазма, получается, состояла только из элементарных частиц стандартной модели (кварки и антикварки), подвергавшихся сильному ядерному взаимодействию, носителями которого служат глюоны. В менее экстремальных физических условиях кварки навсегда «засунуты» внутрь либо стабильных (таких, как протоны или нейтроны), либо нестабильных (таких, как пионы) частиц. Однако этот первичный суп был настолько горяч, что термическое возбуждение оказалось мощнее пут сильного взаимодействия: кварки, антикварки и глюоны не были ничем ограничены и действовали практически свободно. Кварк-глюонная плазма – это Грааль физиков, изучающих микрочастицы; она царила во Вселенной сразу после Большого взрыва, сейчас же ее можно обнаружить только в недрах сверхплотных звезд.

Лучшим способом исследовать ее свойства было бы создать ее искусственно. Чтобы получить такую плазму, надо сверхплотную материю подвергнуть сверхвысоким температурам (более тысячи миллиарда градусов). Физики считают, что подобные экстремальные физические условия возникают при столкновении массивных атомных ядер (например, ионов свинца), несущихся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Подобные условия создаются как раз в ходе экспериментов на детекторе ALICE (A Large Ion Collider Experiment), установленном на одной из четырех точек столкновений пучков Большого адронного коллайдера. В экспериментальной установке ALICE задействовано сложное устройство, способное собирать и фиксировать данные об изменении физических параметров сталкивающихся массивных ионов. Изучая многочисленные частицы (почти двадцать тысяч), образующиеся при столкновении ионов свинца, физики исследуют эфемерную кварк-глюонную плазму, которая возникает во время столкновения, и таким образом пытаются понять процесс образования барионной материи на заре существования Вселенной.

? СМ. ТАКЖЕ

Инфляция (10

секунд после начала расширения)

Возникновение материи (10

секунд после начала расширения)

10

секунд после начала расширения

Материя побеждает антиматерию

Вселенная уже достаточно охладилась, чтобы кварки, антикварки и глюоны начали связываться друг с другом, образуя протоны и их античастицы – основные кирпичики материи.

За одну миллионную секунды после Большого взрыва температура Вселенной снизилась настолько, что стала недостаточной для сохранения барионной составляющей материи в виде кварк-глюонной плазмы. И победило сильное взаимодействие, связав кварки между собой и образовав композитные частицы, мезоны и барионы – последние состоят из трех кварков. Самые известные из этих элементарных частиц – протоны и нейтроны, из них состоит вся видимая часть Вселенной (в отличие от темной материи). Но поскольку каждой электрически заряженной частице соответствует противоположно заряженная античастица такой же массы, сформировалось и огромное количество антибарионов, которые только и ждали, как бы встретиться со своими двойниками. Встреча бариона с антибарионом вызывает их немедленную взаимную аннигиляцию, процесс, высвобождающий энергию массы двух барионов в виде фотонов или иных частиц.

Период образования барионов – бариогенез – ознаменовал период мощной аннигиляции. Обратная реакция, во время которой фотон материализовал пару протон – антипротон, создавала равновесие потерь до тех пор, пока фотоны обладали достаточной для этого энергией. Однако, поскольку расширение понижало среднюю энергию фотонов, в процессе материализации их образовывалось все меньше и меньше, в то время как аннигиляция продолжалась в том же неутомимом ритме. Барионы могли бы исчезнуть полностью, если бы асимметрия законов физики не нарушила равенство первичного хаоса. Оказалось, что в нем насчитывался миллиард и один кварк с одной стороны и миллиард антикварков с другой.

Условия, обеспечивающие подобное состояние небольшого преобладания материи над антиматерией, были окончательно сформулированы в 1967 году русским физиком Андреем Сахаровым. В начале 1960-х годов он создал концепцию водородной Царь-бомбы, самого мощного оружия массового поражения из когда-либо существовавших, но потом резко изменил направление своих исследований в области теоретической физики и стал заниматься космологией – задолго до того, как начал бороться за права человека, гражданские свободы и реформы в СССР…

Незначительный дисбаланс между барионами и антибарионами привел к тому, что последние практически исчезли в ходе аннигиляции – их осталось не более одной миллиардной от первичного количества. Через секунду после Большого взрыва аналогичный процесс привел практически к полному исчезновению антиматерии: расширение способствовало тому, что энергия фотонов опустилась ниже порога, необходимого для производства пар электрон – позитрон, вызвав полное исчезновение позитронов и оставив лишь небольшую кучку электронов.

? СМ. ТАКЖЕ

Первичный хаос (10

секунд после начала расширения)

Антиматерия в центре Галактики (–24 650)

3 минуты после начала расширения

Образование гелия

Вселенная достаточно плотна и горяча для начала процесса первичного нуклеосинтеза – протоны и нейтроны начинают слипаться, образуя ядра атомов гелия.

Через три минуты после Большого взрыва Вселенная была очень плотной и очень горячей средой, в которой могли выжить только такие элементарные частицы, как нуклоны – протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие, которому они подчиняются, притянуло их друг к другу, образовав скрепленные ядерными силами первые атомные ядра. При этом все частицы эволюционировали в среде, где в изобилии носились фотоны, образовавшиеся в результате только что закончившейся фазы массовых аннигиляций и обладавшие очень большим запасом энергии. Этой энергии было еще вполне достаточно для разрушения самых первых ядер. Однако расширение Вселенной продолжалось, и энергия фотонов постепенно понизилась до значений меньших, чем внутренняя энергия ядер, даже самых неустойчивых – таких, к примеру, как ядро дейтерия, изотопа водорода, в котором соединены протон и нейтрон. Поэтому, когда вновь образующиеся ядра стали устойчивыми, Вселенная превратилась в гигантский реактор ядерного синтеза, и большинство свободных нейтронов постепенно стали частью ядер гелия.

Ядро гелия, как правило, состоит из двух протонов и двух нейтронов – эта структура характерна для гелия-4, одного из самых стабильных изотопов гелия. К началу синтеза во Вселенной на один нейтрон приходилось семь протонов, так как они менее массивны и для их образования нужно меньше энергии. В ходе фазы первичного нуклеосинтеза все свободные протоны оказались связанными, и доля гелия-4 составила примерно 4 % от количества всех ядер. Когда же образование гелия постепенно закончилось, сильное взаимодействие продолжило нуклеосинтез, пытаясь прилепить еще по одному нейтрону к каждому ядру гелия-4, связывая два ядра гелия-4 в один. Однако все ядра, слепленные подобным образом, оказались нестабильны и быстро развалились. Первичный нуклеосинтез на этом вынужденно приостановился, и создание более тяжелых элементов, таких как углерод или кислород, было отложено на более позднее время.

В конце 1940-х годов русский физик Георгий Гамов, эмигрировавший в США, первым предположил, взяв за основу концепцию первоначального атома Леметра, что ядерные реакции могли идти в первичной Вселенной даже на очень ранних этапах. В 1948 году в соавторстве со своим учеником Ральфом Альфером Гамов опубликовал фундаментальную статью о первичном нуклеосинтезе – «Происхождение химических элементов». Гамов внес в список авторов и Ханса Бете. Несмотря на то что этот американский физик немецкого происхождения над статьей почти не работал, Гамов сделал это исключительно ради шуточной игры слов, поскольку три имени физиков (Альфер, Бете, Гамов) напоминали о начальных буквах алфавита: альфа, бета и гамма…

? СМ. ТАКЖЕ

Материя побеждает антиматерию (10

секунд после начала расширения)

Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)

20 минут после начала расширения

Окончание первичного ядерного синтеза

Распространение атомных ядер по Вселенной замерло до начала образования первых звезд. Вселенная была на 92 % заполнена водородом, на – 8 % гелием; к ним добавилась и щепотка других легких ядер.

В течение каких-то двадцати минут первичный нуклеосинтез заметным образом изменил состав Вселенной. В самом начале этой фазы во Вселенной носились только барионы – композитные частицы из трех кварков, свободные нейтроны и протоны. Эти последние одновременно представляли собой ядра атомов водорода; их можно было бы назвать «водород-1», по имени самого известного изотопа водорода. В самом начале водород-1 преобладал во Вселенной (92 % всех ядер), а затем немного уступил гелию (8 % всех ядер), в основном – разновидности гелий-4.

Пропорциональное содержание гелия, повсюду наблюдаемое во Вселенной и сегодня, представляет собой одно из самых надежных доказательств в пользу теории Большого взрыва. Те процессы ядерного синтеза, которые продолжаются внутри звезд, не могут произвести количества гелия, необходимого для объяснения подобного изобилия.

Помимо гелия-4, первичный ядерный синтез оставил по себе и другие изотопы легких элементов, но в совсем незначительных количествах – например, гелий-3 или литий-7. Больше всего осталось водорода-2 (одна стотысячная). Следует отметить, что водород – единственный элемент, чьи изотопы обладают привилегией иметь собственное название, отличающее их от других элементов: водород-2 именуется дейтерием. Его обилие к концу фазы первичного ядерного синтеза определялось прежде всего плотностью барионов. Измеряя количество дейтерия сегодня, космологи пытаются оценить пропорциональное количество барионов во Вселенной. Однако дейтерий – элемент весьма деликатный: его нестабильность сама по себе повлияла на скорость первичного синтеза гелия, а его быстрый распад в недрах звезд затрудняет измерение его количества.