Дэйв Голдберг - Вселенная.Руководство по эксплуатации
До комбинации во Вселенной было так жарко, что практически не существовало нейтральных атомов водорода — по Вселенной носились лишь отдельные протоны и электроны, словно смешанный рой ядер и попугаев. Все детали были в наличии, но шныряли туда-сюда, как безумные. Фотоны постоянно сталкивались, абсорбировались и снова испускались. При всех этих столкновениях они не могли долго лететь в одном направлении — их быстро отбрасывало в другую сторону. Даже если бы вы, например, жили спустя 350 тысяч лет после Большого взрыва, то страдали бы близорукостью, поскольку для того, чтобы видеть, нужно, чтобы свет прошел по прямой от предмета до вашего глаза99.
*А еще вас ждала бы жуткая смерть — вы бы сгорели заживо.
А после комбинации Вселенная остыла до такой степени, когда фотоны уже не могли отрывать электроны от их протонов, и быстро-быстро начал образовываться обычный нейтральный водород. Все углы и закоулки внезапно оказались набиты нейтральным веществом, а фотонам стало не с кем играть. Фотоны любят заряженные частицы, а нейтральные — не очень. И теперь фотоны стали летать вечно по пустой-пустой Вселенной, пока некоторые из них, особенно везучие, не попали 13,7 миллиарда лет спустя в радиоприемник на Земле или на Тентакулюсе VII.
Поскольку «заглянуть» во времена до комбинации мы не в состоянии, то о самой ранней Вселенной мы можем судить лишь по остаточному излучению, которое летает повсюду, и по всему, что мы видим в звездах, галактиках и скоплениях вокруг нас в наши дни. Как выясняется, если присовокупить к этим наблюдениям кое-какие физические соображения, кусочки мозаики отлично складываются в цельную картинку.
II. Разве Вселенная не наполнена (до половины) антиматерией?
Говорят, нет ничего хуже полузнания, но в этом случае его как раз хватает. Напомним вам два важных факта, а затем выжмем из них все возможное*, чтобы описать происходившее в ранней Вселенной. Итак, напоминаем:
* Если вы решите при помощи настоящего «Руководства» объяснять кое-какие физические факты малолетним отпрыскам, рекомендуем несколько подредактировать наши чересчур вольные выражения.
1. Е = тс2.
2. Если столкнуть частицу с античастицей, они обе будут уничтожены и превратятся в высокоэнергичные фотоны. Сколько именно у них будет энергии? См. выше факт № 1.
Если электрон и позитрон (или любая частица с античастицей) способны сталкиваться друг с другом и превратиться в свет, обратное тоже может случиться — фотоны, сталкиваясь друг с другом, создают позитрон и электрон. Или, если уж на то пошло, могли бы создать протон и антипротон. Только поди их поймай.
Создание частиц происходит, только если энергии фотонов достаточно высоки. Чтобы сделать электроны, нужно много энергии, но чтобы сделать протоны и нейтроны и их античастицы, энергии нужна просто прорва, поскольку массы у них гораздо больше.
Но постойте! Если вы внимательно следили за ходом нашей мысли, то заметили, что космический бульон кишмя кишел высокоэнергичными фотонами — настолько энергичными, что они могли создавать тяжелые частицы. Они повсюду. 6 ранней Вселенной постоянно создавались с нуля большие тяжелые частицы и античастицы: кварки с антикварками, мюоны с антимюонамн, электроны с позитронами — в общем, сами понимаете. Но время не стоит на месте, и при этом фотоны становятся менее энергичными, а это значит, что можно создавать все менее и менее массивные частицы и античастицы, а в конце концов они вообще перестают получаться. Примерно это и происходит сегодня.
Проиллюстрируем это числами: когда Вселенная насчитывала от роду около одной миллионной доли секунды, она остыла до температуры примерно 10 триллионов градусов Цельсия. Это сокрушительно горячо — гораздо горячее, чем нынешние температуры даже в центрах звезд. Даже настолько энергичные фотоны все равно уже ослабели настолько, что не могли производить протоны с антипротонами и нейтроны с антинейтронами. Однако при столкновении двух фотонов по-прежнему хватало энергии на производство кучи всякой всячины — в том числе электронов и позитронов, — и эта всякая всячина производилась целых пять секунд после Большого взрыва.
Только подумайте, Вселенная-то, оказывается, вундеркинд! Почти все, что касается сотворения материи, она проделала в первые пять секунд после рождения. Мы в ее годы только пищали и писались, а она уже создавала все вещество, которое нам понадобится в жизни.
Есть и еще одна тонкость, которая на поверку оказывается очень важной. Когда фотоны сталкиваются, то создают частицу и античастицу, а частица и античастица полностью уничтожают друг друга и создают фотоны. Пока что, насколько мы видели, нет ни одного взаимодействия, при котором создается или уничтожается только частица, без античастицы. Из этого следует, что нельзя создать протон без антипротона или электрон без позитрона. А значит, частиц и античастиц, то есть материи и антиматерии, во Вселенной всегда должно быть строго поровну.
Если вы не понимаете, в чем тут сложность, мы бы попросили вас объяснить, как так вышло, что мир состоит исключительно из материи. И ведь не только Земля. Если бы Луна состояла не из обычной материи, бедняга Нейл Армстронг был бы покойник, стоило ему коснуться поверхности в своем модуле «Орел ». Солнце тоже состоит из обычной материи, как и все остальные звезды в нашей Галактике. Если бы это было не так, то космические лучи, бомбардирующие Землю, производили бы уйму антипротонов — а это не так.
А вдруг существуют галактики, состоящие из антиматерии? Вполне вероятно. Только галактики то и дело сталкиваются друг с другом, а мы никогда не видели внегалактического столкновения, при котором выделилось бы столько чистой неукротимой энергии, сколько получилось бы, если бы галактика из материи столкнулась с галактикой из антиматерии. Короче говоря, по всему выходит, что наша Вселенная состоит только из материи. Так вот, если материя и антиматерия создаются и уничтожаются в равном количестве, почему у нас оказалось столько лишней материи?
Во-первых, мы должны кое в чем признаться. На самом деле мы не знаем, чем объяснить такой дисбаланс, но чем бы он ни был вызван, этот процесс произошел почти сразу после большого взрыва, когда энергии были очень высоки. Однако хотя мы не можем объяснить, откуда взялась асимметрия, зато можем объяснить, насколько она велика. В самом начале во Вселенной было примерно миллиард один протон на миллиард антипротонов и примерно столько же фотонов. Затем, когда Вселенная остыла настолько, что протоны уже не могли создаваться, каждый миллиард антипротонов был уничтожен вместе с миллиардом протонов, после чего остался всего один протон на каждый миллиард фотонов, и это соотношение мы и наблюдаем сейчас.
Что же изменилось с тех пор и до наших дней? Почему в те далекие времена нейтроны могли превращаться в протоны,.а мы не можем это сделать, не создав тут же еще и антипротон или антинейтрон? Почему раньше так не было?100
* Да-да, дедуля, раньше и сахар был слаще, и небо голубее.
III. Откуда берутся атомы? Рождение элементов (t = 1 секунда — 3 минуты)
Мы уже очень далеко уклонились от первоначального вопроса крошки Билли «Откуда я взялся?»101, зато теперь готовы дать на него ответ получше.
* Физики отменно умеют уворачиваться от неловких вопросов, даже если припереть их к стенке.
Сначала надо рассказать малышу, из чего он на самом деле сделан. Как вы прекрасно знаете, мальчики сделаны «из колючек, ракушек и зеленых лягушек», а те, в свою очередь, состоят из углерода, водорода, кислорода и других атомов.
Это привычное вещество собирательно называется барионной материей, а это всего-навсего научное название всего, что состоит из протонов и нейтронов. Если мы составим список элементов, составляющих большую часть массы, то сразу увидим старых приятелей:
• Водород (75%) — 1 протон.
• Гелий (23%) — 2 протона, 2 нейтрона.
• Кислород (1%) — 8 протонов, 8 нейтронов.
• Углерод (0,5%) — 6 протонов, 6 нейтронов.
• Неон (0,13%) — 10 протонов, 10 нейтронов. Учить этот список наизусть вам не нужно, но в нем прослеживается очевидная закономерность. У всех самых популярных элементов, за исключением водорода, количество нейтронов равно количеству протонов. Существует даже разновидность водорода под названием дейтерий, у которого один протон и один нейтрон, и хотя его распространенность составляет всего около одной стотысячной обычного водорода, он все равно сыграет в нашей истории очень важную роль.
