10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА - Чарльз Флауэрс

Расширение Вселенной продолжалось всего 10~33 секунды, а уже к концу первой секунды после Большого взрыва почти все вещество перешло в форму адронов (тяжелых субатомных частиц), образуемых кварками. Температура при этом понизилась от бесконечности примерно до 3 триллионов градусов по шкале Кельвина и это позволило кваркам начать объединение друг с другом и формировать нейтроны и протоны, что было невозможно при более высоких энергиях. Некоторые комбинации кварков оказались слишком сложными, не смогли «выжить» и исчезли в результате распада. По мере остывания Вселенной в ней начали происходить и другие, более медленные процессы развития, например образование лептонов, вследствие чего этот этап развития называют лептонной эпохой.

На этом этапе температура снизилась примерно до 10 миллиардов градусов по шкале Кельвина, что позволило возникнуть следующему поколению элементарных частиц, так называемым лептонам, к которым относятся легкие атомные частицы (электрон, нейтрино, мюоны и их античастицы), вследствие чего примерно через 60 секунд после Большого взрыва началась эпоха синтеза ядер, продолжавшаяся около 2 минут. После этого температура понизилась примерно до 1 миллиарда градусов, а средние энергия и плотность стали подобны тем, которые мы можем наблюдать сейчас внутри молодых звезд, где идет непрерывный синтез атомов гелия при одной из важнейших термоядерных реакций. Известно, что этот процесс имеет три стадии: 1) нейтрон захватывает протон, образуя ядро дейтерия; 2) дейтерий превращается в тритий после захвата следующего протона; 3) тритий соединяется с дополнительным протоном, образуя устойчивое ядро гелия из двух нейтронов и двух протонов. Неудивительно, что за эту эпоху было создано огромное количество ядер атомов гелия и лишь очень небольшое число стабильных ядер дейтерия и лития. Это обстоятельство имеет особое значение, поскольку относительное содержание трех указанных типов атомов характерно для этапа образования элементов и останется неизменным в течение всего дальнейшего расширения Вселенной (от 12 до 20 миллиардов лет).

В настоящее время гелий составляет примерно четверть от общей массы Вселенной, и именно синтез гелия внутри звезд предлагался упоминавшимися выше теоретиками из Принстона во главе с Дике в качестве основного механизма, ответственного за распространенность элементов в существующем мире.

Итак, прошло примерно три минуты после Большого взрыва. Закончилось бурное образование гелия и доминирующую роль в развитии мира стало играть излучение (в первую очередь, высокоэнергетические рентгеновские лучи), вследствие чего всю последующую длительную эпоху (около 300 000 лет) называют радиационной. Первые 10 000 лет в центре Вселенной горел чудовищный огненный шар, но постепенно количество энергии, превращающейся в вещество, стало сравниваться с количеством, преобразующимся в энергию, что стало исключительно важной вехой в развитии Вселенной, поскольку именно с этого момента началось образование привычных нам атомов. Дело в том, что только после установления такого равновесия фотоны (крошечные квантовые частицы) получили возможность свободно распространяться, так как до этого их движение ограничивалось непрерывными процессами столкновения и рассеяния на электронах. Попросту говоря, до этого никакой наблюдатель, даже если мы вообразим себе фантастическую возможность его существования, не мог бы наблюдать извне (хотя никакого «извне» тоже еще не существовало!) описываемые события, так что первые 300 000 лет истории мира буквально «скрыты во мгле», и, следовательно, ни одна из многочисленных в истории искусства попыток нарисовать или как-то описать зарождение мира не имеет никакого смысла или значения.

Образно говоря, мгла рассеялась лишь после того, как диаметр Вселенной достиг примерно 1 миллиона световых лет (это соответствует примерно 100 миллиардам миллиардов километров), а ее температура снизилась до 4000 К, что и позволило субатомным частицам рекомбини-ровать и образовывать атомы водорода в дополнение к уже существующим атомам гелия. При этом почти все электроны оказались связанными на атомных орбитах, вследствие чего фотоны (свет и другие формы излучения) перестали рассеиваться на них и получили, наконец, возможность свободно распространяться. Процесс так называемого Великого разделения вещества и излучения сделал Вселенную зримой, превратив ее в гигантское облако светящегося газа (библейский Яхве не мог бы выбрать более подходящего момента для произнесения знаменитой фразы: «Да будет свет!»).

Рекомбинация субатомных частиц продолжалась еще несколько миллионов лет, после чего практически не осталось свободных электронов и протонов (их доля в общем количестве вещества снизилась примерно до одной стотысячной), в то время как фотонное излучение продолжало распространяться и его температура спала до очень низкого уровня, который и сохранился до нашего времени. Именно это излучение и удалось зафиксировать Пензиасу и Вильсону своей достаточно простой антенной. В дальнейшем произошли значительные изменения из-за того, что образовавшиеся облака газообразного водорода продолжали расширяться, порождая новые галактики и звезды. Мы не понимаем деталей этого процесса, однако теоретики считают, что галактики стали формироваться примерно через 1-2 миллиарда лет после времени Планка и окончательно стабилизировались примерно через 1 миллиард лет. Некоторые из звезд при этом превратились в гигантские «печи», в которых начали синтезироваться атомы главных тяжелых элементов (железо, кислород и углерод), ставшие основой всего воспринимаемого нами мира. Некоторые самые мощные звезды при этом взрывались, образуя так называемые Сверхновые звезды. Еще примерно через 10 миллиардов из этих атомов образовались, например, планеты Солнечной системы со всем их содержимым (включая живую природу и человечество), что и позволило великому астроному Карлу Сагану первому отметить, что «все мы рождены из звездной пыли». Действительно, каждый рождающийся на свет младенец состоит из тех самых атомов, которые возникли в галактиках после разделения вещества и излучения за счет длительных и непрерывных трансформаций. Красивая девушка и ее украшения созданы из одного и того же пепла звезд, из атомных структур, возникших миллиарды лет назад при взрывах Сверхновых в сотнях световых лет от нас.

Наше Солнце погаснет по космическим масштабам довольно быстро (примерно через 5 миллиардов лет), однако его размеры и мощность очень незначительны, поэтому гибель Солнца не будет сопровождаться взрывом, образованием Сверхновой и выбросом в окружающее пространство потока тяжелых элементов, необходимых для дальнейшей эволюции Вселенной. Наше Солнце похоже на множество других образований Млечного Пути и представляет собой лишь заурядную звезду, способную только сжечь свой запас водорода и превратиться сначала в один из тех малых небесных объектов (величиной с Землю), которые астрономы несколько презрительно именуют «белыми карликами», а затем и в совершенно крошечное образование, называемое «черным карликом».

Насколько справедлива теория Большого взрыва и насколько долго она сохранится в науке? Многие космофизики, исходя из имеющегося опыта драматического развития астрономических идей в XX столетии, ожидают новых, еще более поразительных открытий. За последние сорок лет ученые получили достаточно убедительные подтверждения этой теории, а также целый ряд новых и весьма серьезных неожиданных закономерностей, относящихся к эволюции Вселенной. Например, выяснилось, что Вселенная достаточно однородна, хотя и обладает рядом выраженных структурных особенностей. Удивительным оказалось существование такназываемой Великой Стены (гигантская плоская структура из галактик общей толщиной около 500 миллионов световых лет), не имеющей никаких аналогов в наблюдаемой нами части мира. С другой стороны, вдруг обнаружилось, что между гигантскими скоплениями и кластерами галактик существует множество «пустот» размерами до 150 миллионов световых лет. Какие-то необъяснимые особенности обнаруживаются даже весьма близко (разумеется, по космическим масштабам), поскольку оказалось, что наша собственная галактика расположена в так называемой Локальной группе, плотность которой почему-то примерно в 200 раз превышает среднюю по Вселенной в целом.

В описанной выше модели инфляционной Вселенной (читатель может представить себе раздувающийся шарик или мыльный пузырь) галактические структуры связываются друг с другом гравитационными силами, которые в некотором смысле усиливают процессы образования «не-однородностей» космоса, стягивая материю в достаточно крупные и устойчивые структуры. Разумеется, приведенная фраза содержит в себе противоречие, так как указанные процессы могут начинаться лишь после образования хоть каких-то неоднородностей в распределении вещества, но этот факт лишь иллюстрирует и подчеркивает противоречивость используемых нами экспериментальных данных.