Олег Фейгин - Взрыв мироздания
Вначале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц. Затем температура понизилась, так что почти все частицы и античастицы взаимно уничтожились – аннигилировали, превратившись в излучение. А фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы.
Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Именно этих избыточных протонов и нейтронов хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в антимир.
Издалека видимая Вселенная кажется приблизительно однородной, т. е. все точки и направления в космосе почти равноправны. Это очень важное допущение однородности Метагалактики, распространяемое и на невидимую Вселенную, позволяет успешно строить космологам самые разные модели развития нашего мира – ведь описывать рельеф пустыни гораздо проще, чем нагромождения скал! Какая из этих моделей более-менее правильна, покажет будущее, а пока для окончательных выводов не хватает астрономических данных.
В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают, вплоть до гипотетического Большого разрыва.
В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием до состояния Большого хруста.
Кратко историю нашего мира можно представить так:
Планковская эра: 10–43–10–37 с. Начинается с планковского момента и заканчивается инфляционным расширением Вселенной. Главное событие – появление гравитационного взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен 10–35 м (планковская длина).
Эра великого объединения: 10–35–10–12 с. Начинается с разделения сильного и электрослабого взаимодействий и заканчивается отделением слабого взаимодействия и окончательным разделением взаимодействий.
Адронная эра: 10–6–1 с. Начинается с аннигиляции протон-антипротонных пар, завершается концом существования кварков и антикварков как свободных частиц.
Лептонная эра: 1 с. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.
Эра нуклеосинтеза: 3 мин. Вселенная состоит на 75 % из водорода и на 25 % из гелия, а также следовых количеств тяжелых элементов.
Радиационная эра: 1 неделя. К этому времени излучение термализуется.
Эра вещества: 10–380 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Вселенной. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная становится прозрачной для излучения.
Звездная эра: 1–9 млрд лет. Образование первых звезд и формирование первых галактик. Образование Солнечной системы.
Глава 4. Вселенское яйцо
Через миллиарды лет развитые формы разума смогут создавать новые вселенные. Возможно, они даже смогут выбирать, какие физические законы должны действовать в созданных ими мирах. Или им будет дано моделировать Вселенную такой же или даже сложнее, чем та, в которой сегодня мы полагаем свое существование.
М. Рис. Наш последний часОдним из первых модель рождения нашего мира в виде некоего «вселенского яйца», которое расколол Большой взрыв, в духе физических представлений своего времени предложил бельгийский священник, астроном и математик Жорж Леметр. Будучи в Америке, Леметр ознакомился с результатами измерений галактического красного смещения и галактических расстояний, выполненных Эдвином Хабблом. Эти данные позволяли предположить, что галактики разбегаются по всем направлениям, причем их скорость пропорциональна удаленности от Солнечной системы. Леметр вычислил последующую эволюцию «взорвавшейся» Вселенной на основе уравнений общей теории относительности и вывел линейную зависимость между скоростью удаления галактик и расстоянием до них.
В теории расширяющейся Вселенной Леметра зародышем мироздания служит не просто «вселенское яйцо» конечных размеров, а сверхмассивный первичный атом, существовавший вне пространства и времени. Его взрыв порождает опять-таки сверхтяжелые и потому нестабильные осколки, фрагменты которых тоже должны делиться. Если принять во внимание количество частиц, которое по современным оценкам содержит Вселенная, то получится, что атом-отец и его потомки во множестве поколений должны претерпеть несколько сотен делений и на этом остановиться.
Однако такая схема даже семьдесят лет назад не могла вызвать доверия. В процессе множественных делений в конце концов должны были возникать максимально устойчивые атомы. А поскольку титул абсолютного чемпиона ядерной стабильности принадлежит железу, то в космических масштабах именно оно должно было оказаться самым распространенным элементом. Однако в тридцатые годы прошлого века астрономы уже достоверно знали, что Вселенная почти полностью состоит из водорода и гелия. Несомненным достоинством модели Леметра было предсказание и объяснение закона Хаббла. Но данные об элементном составе Вселенной не согласовывались с теорией первичного атома. На макроуровне концепция бельгийского ученого работала превосходно, а на микроуровне заводила в тупик.
Именно на этом этапе в игру вступил Георгий Гамов. Гамов познакомился с моделью нестационарной Вселенной еще на студенческой скамье, когда учился у Фридмана. По окончании Ленинградского университета он посвятил себя ядерной физике и выполнил несколько классических работ, в частности построил теорию альфа-распада и предложил капельную модель ядра. Впоследствии он эмигрировал и в своих исследованиях полностью переключился на астрофизику. Основываясь на работах Леметра, Гамов начал поиск решения проблемы возникновения в Большом взрыве окружающих нас химических элементов.
Поскольку расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению, сжатие должно вызывать обратный эффект. Поэтому, исследуя модель Леметра назад во времени почти до исходного момента, Гамов заключил, что сразу после рождения мира все имевшееся вещество было чрезвычайно нагрето. Это был огромный шаг вперед по сравнению с леметровским атомом, для которого понятие температуры вообще не имело смысла. Однако следовало еще определиться с составом первичной материи.
Гамов предположил, что ранняя Вселенная была заполнена элементарными частицами, включая протоны, нейтроны и электроны. Эту смесь он назвал айлемом, использовав термин из средневекового английского языка, означающий некую первосубстанцию как источник всего сущего. И на этот раз интуиция не подвела замечательного физика, ведь по современным представлениям к концу первой секунды Большого взрыва все известное нам вещество Вселенной полностью состояло из айлема.
Спустя некоторое время астрофизики, анализируя построения Гамова, пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, возникшим примерно через 300 тыс. лет после ее начала. Это было предсказанием принципиально нового явления, еще не известного науке. Регистрация микроволнового излучения, осуществленная в шестидесятых годах прошлого века, оказалась сильным аргументом в пользу теории горячего рождения Вселенной.
Однако вернемся к совершенно фантастическому этапу инфляции. Когда маятник рождающейся Вселенной сделал один раз хроноквантовый «тик» и ее размеры стабилизировались, сформировался тот набор фундаментальных физических законов, которые до сих пор управляют окружающей нас реальностью. Одновременно из вакуума возник феерический фонтан рождающихся элементарных частиц. В результате к концу инфляционной фазы Вселенная уже была наполнена горячей кашей из разнообразных микрочастиц и электромагнитного излучения.
Очень важно, что обычных (естественно, с нашей точки зрения) частиц оказалось чуть больше, нежели античастиц. Эта разница была микроскопической, порядка стотысячных долей процента, но все же не нулевой. В результате, когда Вселенная охладилась настолько, что излучение перестало рождать новые частицы, вся антиматерия исчезла в процессе аннигиляции. Через 30 микросекунд после Большого взрыва субэлементарные кварки и связывающие их глюоны сконденсировались в нуклоны-протоны и нейтроны, а где-то на десятой секунде наступила эра первичного нуклеосинтеза, то есть возникновения композитных ядер гелия, дейтерия и лития.
Глава 5. На просторах мультивселенной
