Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

1 Величайшая история на свете

В самом начале мира, почти четырнадцать миллиардов лет назад, вся Вселенная была меньше точки, которой кончается это предложение.

Насколько меньше? Представьте, что эта точка размером с пиццу. Теперь разрежьте эту пиццу на триллион частей. Всё, в том числе частицы, из которых состоит ваше тело, деревья или дома за окном, носки вашего друга и цветы вашей подружки, ваша школа, горные хребты и глубокие океаны нашей планеты, вся Солнечная система, далекие галактики – все пространство, энергия и вещество в космосе были втиснуты в эту точку.

Причем горячую.

Там было так жарко и столь много всего находилось в такой малой области пространства, что Вселенной оставалось только одно.

Разлетаться.

Очень быстро.

Сегодня мы называем это событие Большим взрывом. За мельчайшую долю секунды (конкретно – за одну десятимиллионную от одной триллионной от еще одной триллионной и от еще одной триллионной доли секунды) размер Вселенной невероятно увеличился.

Что нам известно об этом первом мгновении жизни нашего космоса? К сожалению, очень мало. Сегодня мы знаем, что все в нашем мире, от орбит планет до мельчайших частиц, из которых состоят наши тела, управляется четырьмя основными силами. Но в то первое мгновение после Большого взрыва все эти силы были свернуты в одну.

По мере того как Вселенная расширялась, она охлаждалась.

К концу этого краткого мига, который ученые теперь называют планковской эрой, по имени немецкого физика Макса Планка, одна из сил сумела отделиться от остальных. Эта сила – тяготение, или гравитация, – удерживает вместе звезды и планеты, из которых состоят галактики, не отпускает Землю с орбиты вокруг Солнца и, кроме всего прочего, не дает десятилеткам забрасывать мячи в баскетбольную корзину сверху. Чтобы провести простую демонстрацию постоянного действия силы тяготения, закройте эту книгу, поднимите ее на несколько дюймов над столом и отпустите. Видели?

(Если книга не упала, срочно найдите ближайшего астрофизика и сообщите ему о чрезвычайной ситуации космического масштаба.)

Правда, в первые мгновения существования ранней Вселенной не было ни книг, ни десятилетних баскетболистов. Не существовало даже самих планет, на которые могла бы влиять гравитация. Сила тяготения лучше всего действует на большие объекты, а в ранней Вселенной все еще было невообразимо маленьким.

Но это только в самом начале.

Космос продолжал расти.

Следующим шагом стало отделение друг от друга трех остальных главных сил природы[1].

Для этих сил главное – управлять мельчайшими частицами или зернышками вещества, которое заполняет космос.

И как только все четыре силы разделились, появилось все необходимое для создания Вселенной.

Вселенная все еще была невероятно маленькой, горячей, и в ней начало становиться тесно от частиц. В этот момент существовало два вида частиц: кварки – рифмуется с «шкварки» – и лептоны. Кварки – прикольная вещь. Кварк никогда нельзя поймать в одиночку – он всегда крепко держится за другие кварки. Наверняка у вас есть по крайней мере один друг или одноклассник, кто ведет себя примерно так же. Кварки похожи на детей, которые ничего не соглашаются делать одни, без компании, даже в туалет ходить.

Сила, которая удерживает вместе два кварка или более, увеличивается по мере того, как вы их разъединяете – как будто они связаны какой-то микроскопической невидимой резинкой. Если все же разъединить их до определенного предела, эта «резинка» лопается, и освободившаяся энергия ее натяжения создает с каждого конца пары новый кварк, который тут же присоединяется к уже существующему. Представьте, что было бы, если бы это произошло с вашими одноклассниками-«прилипалами», о которых мы говорили, и все они обзавелись бы «дублями». Ваши учителя точно бы удивились.

А вот лептоны, наоборот, одиночки. Сила, которая удерживает вместе кварки, на них не действует, и они не сбиваются в группы. Самый известный лептон – это электрон.

Но в космосе были не только эти частицы. Он буквально пылал энергией. Содержалась она в маленьких волнообразных пакетах или пучках световой энергии – фотонах.

И вот тут начинаются странности.

Вселенная была такой горячей, что фотоны постоянно превращались в пары частиц вещества и антивещества. Частицы каждой пары сталкивались друг с другом и исчезали, снова преобразуясь в фотоны. Но по каким-то таинственным причинам в одном из каждого миллиарда таких превращений образовывалась только одна частица вещества, без своего антидвойника. Не будь этих редких исключений, когда образовавшаяся частица не исчезала, во Вселенной никакого вещества бы не появилось. Так что очень хорошо, что все случилось именно так. Ведь мы-то все состоим из вещества.

Время шло, и космос продолжал расширяться и охлаждаться. Когда он стал больше, чем наша нынешняя Солнечная система, температура вдруг быстро упала. Вселенная все еще была невероятно горячей, но ее температура снизилась до значений менее триллиона градусов Кельвина.

Итак, за это время Вселенная выросла от мельчайшей частицы точки в конце этого предложения до размеров нынешней Солнечной системы. А это область размером почти триста миллиардов километров, или более ста восьмидесяти миллиардов миль в поперечнике.

Триллион градусов Кельвина – это во много раз горячее поверхности Солнца. Но по сравнению с самым первым мгновением после Большого взрыва его можно считать прохладой. Тепленькая Вселенная уже не была достаточно горячей и плотной, чтобы образовывать новые кварки, а все уже созданные крепко обхватили своих партнеров и стали объединяться в более тяжелые частицы. Такие комбинации кварков вскоре привели к появлению знакомых нам форм вещества: протонов и нейтронов.

Вселенная разрослась до размера в несколько световых лет – примерно на таком расстоянии от ближайших к нему звезд сейчас находится Солнце. Температура ее упала до миллиарда градусов, и в ней все еще очень жарко – достаточно жарко, чтобы приготовить маленькие электроны и их античастицы, позитроны. Эти частицы внезапно возникают, аннигилируют друг с другом и снова исчезают. Но то же самое правило, которое действовало для других частиц, справедливо и для электронов: один на миллиард все-таки выживает.

Остальные взаимно уничтожаются.

Температура космоса падает ниже ста миллионов градусов, что все еще намного горячее нынешней поверхности Солнца.

Частицы большего размера начинают сплавляться друг с другом. Основные ингредиенты тех самых атомов, которые сегодня составляют весь видимый мир: звезды и планеты, деревья и дома за окном, носки твоего друга, мои усы, – соединяются в одно целое. Протоны сплавляются с другими протонами и еще с нейтронами, образуя центры атомов – атомные ядра.

Как правило, носящийся по Вселенной электрон притягивается к протонам и ядрам. У электронов есть отрицательный заряд. У протонов и ядер заряды положительные, а противоположности притягиваются. Почему у одних частиц заряд положительный, а у других отрицательный? И почему, спросите вы, противоположности притягиваются?

Ответ простой: потому.

Я бы и рад дать вам ответ получше этого. Но Вселенная не обязана иметь какой-то смысл – она нам ничего не обещала. Я могу только сказать, что много, очень много лет научных исследований подтверждают, что все устроено именно так.

Зная об этом их свойстве, можно было бы сделать вывод, что протоны и электроны должны намертво приклеиться друг к другу. Однако на протяжении тысяч лет Вселенная оставалась еще слишком горячей, чтобы это могло случиться. Электроны носились в пространстве сами по себе, изо всех сил пиная попадающиеся им по дороге фотоны – это вообще любимое занятие свободных электронов.

Все это кончилось, когда температура Вселенной упала ниже 3000 градусов Кельвина (примерно вдвое холоднее поверхности Солнца) и все свободные электроны соединились с положительно заряженными протонами. Когда это случилось, все фотоны смогли пересекать Вселенную беспрепятственно – и этот свет современные ученые все еще могут регистрировать. Мы поговорим об этом подробнее в главе 3.

А Вселенная продолжала расширяться, как воздушный шарик, который никак не лопнет. Расширяясь, она охлаждалась, и тяготение постепенно принялось за работу. Первые несколько сотен тысяч лет частицы беспорядочно носились повсюду, как расшалившиеся малыши на детской площадке. Но потом гравитация начала стягивать вещество в космические города – галактики.

Образовалось около ста миллиардов галактик.

В каждой из них были сотни миллиардов звезд.