Джордж и Большой взрыв

Большой взрыв – лекция

Представьте, что в тот самый момент, в начале, вы сидите внутри Вселенной (очевидно, впрочем, что сидеть снаружи Вселенной вам бы не удалось). При этом вы, надо сказать, крепкий орешек, потому что температура и давление в этом бульоне Большого взрыва – немыслимо, невероятно высоки. Вся материя, которую мы сегодня видим вокруг, тогда была спрессована в пространстве размером гораздо меньше атома.

Прошла всего лишь крошечная доля секунды после Большого взрыва, но во всех направлениях, куда ни посмотри, всё выглядит совершенно одинаково: не раздувающийся огненный шар, а море раскалённой материи, заполняющее всё пространство. Что это за материя? Мы не знаем. Может быть, частицы, каких в наше время уже нет, может быть, даже петельки «струн»; но это наверняка экзотическая материя, которую нам с вами вряд ли дано увидеть даже в самых больших ускорителях частиц.

Этот бесконечно малый океан очень горячей экзотической материи расширяется по мере того, как растёт заполняемое им пространство. Материя растекается во все стороны от вас, и океан становится не таким густым. Чем дальше она утекает, тем больше расширяется пространство между вами и ею – тем быстрее она удаляется. А материя, которая дальше всего от вас, удаляется со скоростью, превышающей скорость света.

И очень быстро – в ту же первую секунду после Большого взрыва – происходит множество сложных изменений. Из-за расширения крошечной Вселенной горячая экзотическая жидкость в малюсеньком океане остывает. При этом во Вселенной происходят резкие изменения вроде тех, что происходят с водой, когда она замерзает и превращается в лёд.

Когда новенькая Вселенная всё ещё гораздо меньше атома, одно из этих изменений в жидкости вызывает колоссальное увеличение скорости расширения, называемое инфляцией. Вселенная увеличивается вдвое, затем ещё вдвое, затем ещё и ещё – и так её размеры удваиваются примерно 90 раз, и происходит переход от масштабов элементарной частицы к масштабам человека. Как мы, застилая постель, расправляем простыню, так и при растяжении Вселенной распрямляются все неровности и выпуклости материи. В конечном счёте наблюдаемая нами Вселенная становится очень гладкой и почти одинаковой во всех направлениях.

С другой стороны, мельчайшая рябь в жидкости тоже растягивается и удлиняется, что позже даст толчок формированию звёзд и галактик.

Инфляция резко прекращается. При этом выделяется огромное количество энергии, отчего возникает множество новых частиц. Экзотическая материя исчезла, её сменили более известные нам частицы: кварки (это кирпичики для построения протонов и нейтронов – которые сформируются позже, когда будет не так жарко), антикварки, глюоны (летающие между кварками и антикварками), фотоны (частицы, из которых состоит свет), электроны и другие частицы, хорошо знакомые физикам. Среди них могут быть и частицы тёмной материи, но, хотя они по идее должны возникнуть, мы пока ещё не понимаем, что они собой представляют.

Куда же делась экзотическая материя? Часть её во время инфляции улетела от вас в те области Вселенной, которых мы, возможно, никогда не увидим; другая часть по мере снижения температуры распалась на менее экзотические частицы. Материя вокруг вас уже совсем не такая горячая и густая, как раньше, хотя пока ещё горячее и гуще, чем сегодня где бы то ни было, в том числе и внутри звёзд. Вселенная теперь наполнена плазмой – горячим светящимся туманом, состоящим преимущественно из кварков, антикварков и глюонов.

Расширение продолжается (гораздо медленнее, чем при инфляции), и постепенно температура снижается настолько, что кварки и антикварки уже способны связываться в группы по два-три, образуя протоны, нейтроны и другие частицы, известные как адроны; а также антипротоны, антинейтроны и прочие антиадроны. Через светящуюся туманную плазму мало что можно

разглядеть, а Вселенной тем временем уже исполнилась одна секунда.

Потом начинаются фейерверки, которые длятся несколько секунд: это происходит взаимное уничтожение большей части произведённой ранее материи и антиматерии, порождающее потоки новых фотонов. Туман теперь состоит в основном из протонов, нейтронов, электронов, тёмной материи и фотонов (их больше всего), но заряженные протоны и электроны не позволяют фотонам разлетаться слишком далеко, поэтому видимость в этом расплывающемся и остывающем тумане остаётся очень слабой.

Когда Вселенной уже несколько минут, уцелевшие протоны и нейтроны объединяются и образуют атомные ядра – преимущественно это ядра атомов водорода и гелия. Они тоже заряжены, поэтому туман по-прежнему густой и сквозь него ничего не видно. На этом этапе вещество, из которого состоит туман, напоминает то, что в наше время находится внутри звёзд, – только это вещество заполняет всю Вселенную. После бешеной активности первых минут жизни Вселенная в течение нескольких сотен тысяч лет остаётся практически прежней – продолжает расширяться и остывать, горячий туман постоянно разрежается, тускнеет и краснеет, по мере того как длины световых волн увеличиваются за счёт расширения пространства. Затем, через 380 тысяч лет, когда та часть Вселенной, которая впоследствии будет видна с Земли, расширяется до миллионов световых лет, туман наконец -то рассеивается: электроны захватываются ядрами водорода и гелия, и формируются целые атомы. Поскольку электрические заряды электронов и ядра взаимно компенсируются, эти атомы не несут электрического заряда, так что фотоны уже могут перемещаться без препятствий – Вселенная стала прозрачной.

Что же вы видите теперь, прождав сотни тысяч лет, пока туман рассеется? Только тускнеющее красное свечение во всех направлениях. Пространство продолжает расширяться, длины волн фотонов – растягиваться, и это свечение становится всё краснее и всё тусклее. Наконец этот свет вообще перестаёт быть видимым. Повсюду, куда ни глянь, только тьма. Мы вступили в космические Тёмные века.

Фотоны от этого последнего свечения с тех пор так и путешествуют по Вселенной, постоянно становясь даже ещё краснее: сегодня их можно обнаружить в виде реликтового космического микроволнового фонового излучения; они и сейчас отовсюду долетают до Земли.

Эти Тёмные века Вселенной длятся несколько сотен миллионов лет, и на протяжении всего этого времени смотреть в буквальном смысле не на что. Вселенная по-прежнему заполнена материей, но почти вся она – тёмная материя, а остальное – газы, водород и гелий, и ничто из этого не порождает новый свет. Однако в полной темноте потихоньку происходят перемены.

Рябь, некогда мельчайшая, но усиленная инфляцией, означает, что в некоторых областях Вселенной масса немножко больше среднего. Следовательно, притяжение этих областей усиливается, привлекая ещё больше массы, и тёмная материя, водород и гелий притягиваются ближе друг к другу. Медленно, за миллионы лет, в результате этого усиливающегося притяжения появляются сгустки тёмной материи и газа, которые постепенно растут, втягивая в себя всё больше материи. Иногда их рост ускоряется – когда они сталкиваются и сливаются с другими сгустками. Когда газ попадает в эти сгустки, его атомы ускоряются и нагреваются. То и дело этот газ становится таким горячим, что перестаёт сжиматься; остыть он может, только испуская фотоны, а сжаться – только столкнувшись с другим облаком материи.

Если облако газа сжимается слишком сильно, оно распадается на шарообразные капли, такие плотные, что тепло из них уже не может вырваться наружу. В конечном счёте достигается точка, когда ядра водорода в центре этих капель так сильно нагреваются и притягиваются друг к другу, что начинают слипаться (объединяться) в ядра гелия и излучать ядерную энергию. Вы сидите в одном из этих сжимающихся сгустков тёмной материи и газа (потому что именно там через много-много лет возникнет наша Галактика); и каково же ваше удивление, когда тьма вокруг вас вдруг озаряется ярким светом – это вспыхнула первая из ближних к вам капель. Так рождаются первые звёзды. Это конец Тёмных веков.

Первые звёзды быстро сжигают свой водород и на последних стадиях своей жизни соединяют воедино все ядра, какие только могут найти, чтобы создать атомы потяжелее, чем атомы гелия: атомы углерода, азота, кислорода и другие более тяжёлые атомы, которые сегодня находятся вокруг (а также внутри) нас с вами. Эти атомы, подобно пеплу, рассеиваются обратно в ближние газовые облака при колоссальных взрывах и вновь сметаются в кучу при образовании нового поколения звёзд. Процесс продолжается: из накапливающегося газа и пепла формируются новые звёзды, потом они умирают и снова рассыпаются пеплом. По мере рождения новых звёзд наша Галактика – Млечный Путь – принимает спиралевидную форму. То же происходит и в других сгустках тёмной материи и газа, рассеянных по видимой Вселенной.

Проходит девять миллиардов лет после Большого взрыва – и вот из водорода, гелия и пепла умерших сгоревших звёзд образуется новая, молодая звезда, окружённая планетами.

Ещё через четыре с половиной миллиарда лет третья планета от этой звезды становится единственным местом в известной нам Вселенной, где смогут жить и прекрасно себя чувствовать представители рода человеческого. Они – то есть мы с вами – будут видеть в небесах звёзды, облака газа и пыли, галактики и реликтовое излучение – но не тёмную материю, составляющую бо'льшую часть материи Вселенной. Не увидим мы и те части Вселенной, которые настолько далеки от нас, что даже фотоны их реликтового излучения ещё не долетели до Земли; а есть, вероятно, и такие части Вселенной, свет от которых вообще никогда не достигнет нашей планеты.