Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности

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 = mc^2, 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 = mc^2, 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.