Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
Однако к концу Планковской эры гравитация высвободилась из объятий других сил природы, по-прежнему объединенных, и добилась независимости, которую прекрасно описывают современные теории. Перевалив за рубеж 1035 секунды, Вселенная продолжила расширяться и остывать, и объединенные силы раскололись на электрослабое и сильное ядерное взаимодействие. А еще позднее электрослабое взаимодействие раскололось на электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие, и так мы и получили четыре отдельные силы, которые знаем и любим: слабое взаимодействие контролирует радиоактивный распад, сильное взаимодействие связывает частицы в ядре атома, электромагнитное взаимодействие связывает атомы и молекулы, а гравитация – большие «куски» вещества. К этому времени Вселенной исполнилось всего одна триллионная секунды. Однако таинственные превращения сил и другие основополагающие события в жизни Вселенной уже снабдили ее фундаментальными качествами, каждое из которых достойно отдельной книги.
Пока Вселенная разменивала свою первую триллионную секунды, вещество с энергией находились в постоянном взаимодействии. Незадолго до этого, пока расставались сильное и электрослабое взаимодействие и сразу после, Вселенная представляла собой бурлящий океан кварков, лептонов, их антисобратьев, а также бозонов – частиц, которые обеспечивали их взаимодействие. Считается, что ни одно из этих семейств частиц не делится на что-либо меньшее и более элементарное. Хотя все эти частицы фундаментальны, у каждой есть несколько видов. Заурядный фотон видимого света – член семейства бозонов. Из лептонов лучше всех знакомы непосвященным электроны и, наверное, нейтрино, а из кварков… Увы, знакомых кварков у нас нет. Каждому подвиду кварков дано абстрактное название, не служащее никаким филологическим, философским и педагогическим целям – оно нужно лишь для того, чтобы различать их: верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный.
Кстати, бозоны получили название просто-напросто в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе. Слово «лептон» образовано от греческого «leptos» – «легкий» или «маленький». А вот у самого слова «кварк» происхождение сугубо литературное и гораздо более причудливое. Физик Мюррей Гелл-Манн, в 1964 году предположивший существование кварков, считал, что в их семействе всего три члена, и позаимствовал название из загадочной фразы из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для Мастера Марка!» У кварков есть одно несомненное преимущество – все их названия просты, чего никогда не удается добиться химикам, биологам и геологам, когда они выдумывают названия объектам своих исследований.
Кварки – те еще фрукты. В отличие от протонов, каждый из которых несет электрический заряд +1, и электронов, у которых заряд −1, у кварков заряды дробные – одна или две трети. И поймать один обособленный кварк невозможно, он всегда соединен с соседними кварками. Сила, которая скрепляет два и больше кварков вместе, растет пропорционально усилию их разделить, как будто они соединены какой-то субатомной резинкой. Если все же растащить кварки друг от друга, резинка лопается, и высвободившийся запас энергии зовет на помощь E = mc², отчего на каждом конце создается по новому кварку, а вы возвращаетесь в исходную точку. Но в кварк-лептонную эпоху плотность Вселенной была так велика, что расстояние между несвязанными кварками было сопоставимо с расстоянием между связанными кварками. При таких условиях невозможно было создать надежные узы между соседними кварками, и они двигались сами по себе, хотя коллективно были связаны друг с другом. Такое состояние вещества – своего рода кварковый суп – открыли в 2002 году ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории. Есть надежные теоретические данные, из которых следует, что на самом раннем этапе существования Вселенной, возможно, во время разделения каких-то взаимодействий, произошло некое событие, в результате которого во Вселенной наблюдается примечательная асимметрия: частиц вещества стало попросту больше, чем частиц антивещества, в пропорции миллиард и одна к миллиарду. В суматохе непрерывного создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (более известных как позитроны), нейтрино и антинейтрино этот небольшой дисбаланс в популяции никто и не заметил. У «лишних людей» все равно была масса возможностей найти себе партнера по аннигиляции, как и у всех прочих.
Однако такое положение дел сохранялось недолго. Космос расширялся и охлаждался, достиг размеров Солнечной системы, а его температура упала ниже триллиона градусов.
С момента рождения Вселенной миновала миллионная доля секунды.
При такой прохладе у Вселенной уже не хватало ни тепла, ни плотности, чтобы изготавливать кварки, поэтому все они расхватали себе партнеров и создали новое прочное семейство тяжелых частиц под названием адроны (от греческого слова «hadros», что значит «толстый, плотный»). Переход от кварков к адронам вскоре привел к появлению протонов и нейтронов, а также других, менее знакомых широкой публике тяжелых частиц, и все они состояли из разных комбинаций представителей семейства кварков. Легкая асимметрия вещества и антивещества, повлиявшая на кварк-лептонный суп, сказалась и на адронах, и последствия у этого были просто невероятные.
Вселенная остывала, количество энергии, доступной для спонтанного создания фундаментальных частиц, стремительно уменьшалось. В адронную эпоху вездесущие фотоны больше не могли призывать на помощь E = mc², чтобы создавать пары кварков-антикварков. Мало того, фотоны, возникшие в результате всех оставшихся аннигиляций, выпустили свою энергию, отдали ее вечно расширяющийся Вселенной и опустились ниже предела, допускавшего создание пар адронов-антиадронов. На каждый миллиард аннигиляций, после которых получался миллиард фотонов, оставался всего один выживший адрон. Этим-то одиночкам и досталось в результате все веселье – именно из них состоят галактики, звезды, планеты и люди.
Не будь перевеса вещества над антивеществом в соотношении миллиард и один на миллиард, вся масса во Вселенной аннигилировала бы, и остался бы космос, состоящий исключительно из фотонов и все – вот к чему привело бы буквальное исполнение сценария «Да будет свет».
К этому времени Вселенной исполнилась одна секунда.
Вселенная разрослась уже до нескольких световых лет, примерно на расстояние от Солнца до ближайших звезд. Было еще довольно жарко, как-никак миллиард градусов, так что еще оставалась возможность выпекать электроны, которые вместе с партнерами-позитронами то возникали, то исчезали. Однако во Вселенной, которая все расширяется и все остывает, дни их – точнее, секунды – были сочтены. Судьба адронов постигла и электроны – в конце концов уцелел лишь один на миллиард. Остальные аннигилировали вместе со своими напарниками-античастицами позитронами и превратились в море фотонов.
К этому моменту на каждый протон приходится один «замороженный» электрон. Космос продолжает остывать, температура упала уже ниже 100 миллионов градусов, и протоны соединяются и с протонами, и с нейтронами, отчего возникают ядра атомов и образуется Вселенная, в которой 90 % ядер – это ядра водорода, а 10 % – ядра гелия плюс ничтожные количества дейтерия, трития и лития.
С момента рождения Вселенной миновало две минуты.
Еще примерно 380 000 лет с нашим супом из частиц ничего особенного не произойдет. Все эти тысячелетия температура остается достаточно высокой, чтобы электроны свободно странствовали среди фотонов и расталкивали их то туда, то сюда.
Однако этой вольнице приходит конец, когда температура Вселенной падает ниже 3000 градусов по Кельвину (примерно половина температуры солнечной поверхности) и все электроны соединяются со свободными ядрами. В результате этого союза возникает вездесущий океан фотонов видимого света, что завершает процесс формирования частиц и атомов в первичной Вселенной.
Вселенная все расширяется, ее фотоны и дальше теряют энергию, уходят из диапазона видимого света в инфракрасный диапазон и в микроволновое излучение.
Вскоре мы еще поговорим подробнее о том, что куда бы мы, астрофизики, ни заглянули, везде мы находим неизгладимые следы, словно бы отпечатки пальцев, в виде микроволновых фотонов с температурой 2,73 К и рисунок их распределения по небу – это память о распределении вещества во Вселенной в эпоху непосредственно перед формированием атомов. Из этого факта мы можем сделать много разных выводов, в том числе о возрасте и форме Вселенной. И хотя в наши дни атомы уже вошли в повседневный обиход, у формулы Эйнштейна, обеспечивающей вселенское равновесие, еще осталось вдоволь работы – в ускорителях частиц, где пары «частица-античастица» то и дело создаются из полей с большой плотностью энергии, в недрах Солнца, где ежесекундно преобразуются в энергию 4,4 миллиона тонн вещества, в ядрах всех остальных звезд. Еще она находит себе занятие в окрестностях черных дыр, сразу за их горизонтом событий, где пары «частица-античастица» возникают за счет чудовищной гравитационной энергии черной дыры. Этот процесс описал еще в 1975 году Стивен Хокинг – и показал, что из-за этого механизма черные дыры медленно испаряются, теряя массу. Иначе говоря, черные дыры не вполне черные.
