Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Если мы достанем тот листок бумаги, на котором проделывали все вычисления, то увидим, что Ωв обычного вещества (то есть не темной материи) составляет около 5 %. Если это число смутно вам знакомо, то дело в том, что оно совпадает с той массой, которую мы получаем, когда суммируем массу, наблюдаемую в звездах и газе.

Вот это да! Мы одним махом показали, что наша модель возникновения элементов если и не правильная, то по крайней мере невероятно аккуратная и подтверждает те данные, которые мы получили непосредственно от галактик. Мы точно знаем, что происходило через одну секунду п. Б. в. и сколько во Вселенной обычной материи. Эта модель даже немного (но ощутимо) зависит от удивительных вещей — например, от того, сколько существует разных типов нейтрино. Их три, и наши вычисления это подтверждают. Благодаря той же модели мы можем точно предсказать количество микроэлементов вроде лития или гелия-3, каждый из которых наблюдается именно в том количестве, которое соответствует нашей модели.

Но не надо стараться прыгнуть выше головы. Если после большого взрыва были созданы только водород, гелий, дейтерий и несколько других очень легких элементов, откуда взялось все остальное? Откуда взялась основа всего живого — углерод с кислородом? Ведь крошку Билли уж точно нельзя было бы сделать из вещества, получившегося в результате Большого взрыва. Все более тяжелые элементы — углерод, кислород, золото и все прочее — создается в звездах. Когда самые массивные звезды вспыхивают и превращаются в сверхновые (о чем мы говорили в главе 6), эти тяжелые элементы так и выстреливают во Вселенную — и в конце концов составляют всякую всячину вроде нас с вами, пиратов и крошки Билли.

IV. Каким образом частицы набирают весь свой вес? Золотой век кварков

Заглядывая все дальше в прошлое, мы наблюдаем общую тенденцию. Вселенная становится все горячее и горячее, частицы — все энергичнее и энергичнее, а это обычно означает, что они движутся все быстрее и быстрее. По большей части все происходит довольно плавно, но иногда приключаются и резкие скачки.

Вот, например, поговорим о том, что происходило, когда Вселенной было отроду около 10-12 секунд. До этого времени температуры были настолько чудовищно высоки, что частицы Хиггса, с которыми мы в последний раз виделись в главе 4, не могли сконденсироваться в свое нынешнее состояние частиц. В результате до этого момента (если 10-12 секунд можно с полным правом назвать моментом) ни одна из частиц не обладала массой. Для некоторых частиц вроде электронов и нейтрино набор массы был не слишком важным делом, поскольку они и так довольно миниатюрны. Даже после появления частицы Хиггса они все равно шныряли по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света.

Но другие частицы, например W и Z (переносчики слабого взаимодействия), предавались набору массы со всей серьезностью. До того как Вселенной исполнилось 10-12 секунд, частицы W и Z почти ничем не отличались от фотонов. На самом деле это означает, что не было никакой разницы между электромагнетизмом (фотоны) и слабым взаимодействием (W и Z), так что эти силы объединялись в одно «электрослабое» взаимодействие.

Что же изменилось? Между «иметь массу» и «не иметь массы» есть большая разница, причем безо всякого плавного перехода. В главе 6 мы упоминали о том, что пустое пространство совсем не такое пустое, как выдумали. Оно битком набито энергией и постоянно занято созданием и распадом частиц. Это и есть та «энергия вакуума», которая вызывает эффект Казимира, а возможно, и ускорение Вселенной в наше время. Кроме того, это основа, на которой происходят все взаимодействия частиц. Примерно в 10-12 секунд вакуум перешел из высокоэнергичного в низкоэнергичное состояние, — вот почему законы физики тоже изменились. Именно поэтому все W, Z и частицы Хиггса знают, что должны или иметь массу, или обеспечивать ее, или и то и другое. Когда вакуум перешел из одного состояния в другое, была отчасти утрачена столь дорогая нам симметрия, и слабое и электромагнитное взаимодействия разделились.

Это главная тема в эволюции Вселенной. Сегодня в природе существует четыре различные силы, но это слишком много и довольно-таки запутанно.

В главе 4 мы отметили, что одна из главных надежд физики — сформулировать единую Теорию Всего, которая одним законом объединит все четыре силы. Эйнштейн посвятил большую часть последних лет своих ученых занятий попыткам унифицировать все фундаментальные силы, известные в его время (то есть только гравитацию и электромагнетизм), но у него практически ничего не вышло.

Мы располагаем отличной теорией, объединяющей электромагнетизм и слабое взаимодействие, однако когда мы пытаемся сочетать электрослабое взаимодействие с сильным, то ступаем на зыбкую почву. Нам не слишком много известно о том, как могла бы быть устроена «великая теория унификации», но мы предполагаем, что эти три силы, вероятно, были едины при гораздо более высоких энергиях, чем те, которыми располагала Вселенная в момент 10-12 секунд п. Б. в. Есть надежда, что Теория Всего объединит все четыре силы в более ранний период.

Поспешишь — людей насмешишь. Пока что мы можем Только спросить, какой была Вселенная в тот момент, когда разделились электромагнетизм и слабое взаимодействие[117].

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется разоблачить собственное вранье, точнее, умолчание. Мы говорили о том, что во Вселенной наличествовала асимметрия и что будто бы когда-то на каждый миллиард антипротонов приходился миллиард один протон.

Такого никогда не было.

Не было момента, когда протоны и нейтроны производились в колоссальных количествах. Когда Вселенной было от роду 10-12 секунд, она была совсем не такая, как сейчас. Кварки в то время были настолько энергичны, что их нельзя было удержать в рамках протонов и нейтронов. Так происходило до тех пор, пока Вселенной не исполнилось примерно миллионная доля секунды, — а тогда Вселенная остыла до такой степени, что кварки уже перестали встречаться вне протонов и нейтронов.

Все это означает, что в некоторой степени мы не о том беспокоились. Вместо того чтобы думать о том, почему на каждый миллиард антипротонов находился один лишний протон, стоило задуматься о том, почему на каждый миллиард антикварков находился один лишний кварк. И тогда мы будем отодвигать источник вопроса крошки Билли все раньше и раньше.

V. Существует ли где-нибудь в пространстве-времени твоя точная копия?

Время до наступления эпохи кварков было восхитительным, однако невероятно запутанным. Температура была так высока, что кварки, электроны и нейтрино легко и просто создавались из высокоэнергичных фотонов. Нам нет смысла задумываться о том, чем в то время была занята каждая разновидность частиц. Все они создавались и уничтожались с такой быстротой, что, в общем-то, и не отличались друг от друга. Первобытный бульон Вселенной был практически однородным, и говорить о нем вовсе не так уж интересно. Лучше попробуем разгадать несколько удивительных тайн.

По большей части фоновое космическое излучение имеет примерно одинаковую температуру. Два участка на противоположных сторонах неба зачастую различаются по температуре всего на одну стотысячную градуса. На первый взгляд это пустяк — однако увидеть, в чем тут проблема, вам, вероятно, поможет пикантная аналогия. Представьте себе, что капитан пиратского корабля готовится лечь в ванну. Предположим, он наполняет ее из двух кранов — по одному на противоположных концах ванны. Так получилось, что из крана по правому борту течет холодная вода, а из крана по левому борту — кипяток. Как вы думаете, когда капитан попробует воду и ляжет в ванну, будет ли он плескаться в равномерно теплой водичке? Нет. Голове будет горячо, а ногам — холодно. Вода мгновенно не перемешивается.

Все эти температурные вычисления основаны на простом предположении: когда Вселенная была вполовину меньше, чем сейчас, она была вдвое горячее — и так далее. Но это означает, что вначале температура везде была примерно одинакова. Если бы Вселенная, подобно ванне Кровавой Бороды, была разная в разных местах, температурам понадобилось бы некоторое время, чтобы перемешаться и выровняться. Самая быстрая скорость передачи тепла — скорость света, и на это бы попросту не хватило времени.

«Минуточку! — возразите вы. — У нас было почти 14 миллиардов лет! За такое время перемешается все что угодно!» Это так, но вы забыли об одной детали. Свет, попадающий на Северный полюс, и свет, попадающий на Южный полюс, исходят из участков пространства, крайне далеких друг от друга.