Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда - читать онлайн

1. Самая главная история

В самом начале, почти 14 миллиардов лет назад все пространство, все вещество и вся энергия известной нам Вселенной содержались в объеме, размером меньше одной триллионной объема точки, завершающей это предложение.

Было так жарко, что все основные силы природы, в совокупности описывающие Вселенную, слились воедино. Мы до сих пор не знаем, как возник этот микро-миниатюрный космос, однако известно, что с тех пор он мог только расширяться. Быстро. Сегодня мы называем это событие Большим взрывом.

В 1916 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности – современное представление о гравитации, согласно которому наличие вещества и энергии искривляет вокруг себя ткань пространства и времени. В двадцатые годы прошлого века была разработана квантовая механика – современное представление о микромире, молекулах, атомах и субатомных частицах. Но оказалось, что с формальной точки зрения эти два мировоззрения несовместимы друг с другом, и это заставило физиков наперебой пытаться примирить теорию малого с теорией большого – создать единую и непротиворечивую теорию квантовой гравитации. Финишной прямой в этой гонке мы пока не достигли, зато точно знаем, где стоят самые высокие препятствия. Одно из них – «планковская эра» ранней Вселенной. Это период с t = 0 до t = 10^–43 секунды (одна десятимиллионно-триллионно-триллионно-триллионная доля секунды) после Большого взрыва, до того, как Вселенная достигла размера в 10^–35 метра (одна стомиллиардно-триллионно-триллионная доля метра). Немецкий физик Макс Планк, в честь которого названы эти невообразимо малые величины, в 1900 году выдвинул идею квантования энергии и в целом считается отцом квантовой механики.

Противоречие между теорией гравитации и квантовой механикой в нашу эпоху не приводит ни к каким практическим осложнениям, потому что инструменты и принципы этих теорий применяются к совершенно разным классам задач. Однако поначалу, в планковскую эру, большое было маленьким, и мы подозреваем, что эти теории были вынуждены, так сказать, наладить совместную жизнь. Увы, для нас пока остается тайной, какими обетами они обменялись на церемонии бракосочетания, поэтому никакие известные нам законы физики не объясняют сколько-нибудь достоверно поведение Вселенной в тот период.

Тем не менее, мы предполагаем, что к концу планковской эры гравитация вырвалась из объятий остальных, по-прежнему единых сил природы и приобрела независимость, которую так хорошо описывают наши нынешние теории. Перевалив за возраст в 10^–35 секунды, Вселенная продолжала расширяться, концентрированная энергия разбавлялась, а то, что осталось от единых сил, разделилось на две силы: «электрослабую» и «сильную ядерную». Еще позднее электрослабая сила разделилась на электромагнитную и слабую ядерную силы, и получились четыре отдельные силы, которые мы знаем и любим:

• слабое ядерное взаимодействие контролирует радиоактивный распад;

• сильное ядерное взаимодействие связывает атомное ядро;

• электромагнитная сила связывает атомы и молекулы;

• а гравитация – скопления вещества.

Все это время шло непрерывное взаимодействие вещества в виде субатомных частиц и энергии в виде фотонов (не имеющих массы переносчиков энергии света, в равной мере частиц и волн). Во Вселенной было так жарко, что фотоны могли спонтанно преобразовывать энергию в пары частиц вещества и антивещества, которые сразу аннигилировали, возвращая энергию обратно фотонам.

Да-да, антивещество – это не фантастика. И его открыли мы, ученые, а не писатели-фантасты. Такие метаморфозы полностью описывает самое знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc² – действующий в обе стороны рецепт, показывающий, сколько вещества стоит то или иное количество энергии и сколько энергии стоит то или иное количество вещества. В этой формуле c² – это квадрат скорости света, очень большое число, которое, будучи помножено на массу, показывает, сколько энергии на самом деле дает нам это преобразование.

Непосредственно перед, во время и после того, как сильное и электрослабое взаимодействия разорвали знакомство, Вселенная была бурлящим бульоном из кварков, лептонов и их антисобратьев, а также бозонов – частиц, которые обеспечивают их взаимодействие. Считается, что представители всех этих семейств уже не делятся на что-то еще более мелкое и элементарное, хотя у каждой из таких частиц есть несколько разновидностей.

Обычный фотон входит в семейство бозонов. Из лептонов не-физикам лучше всего знакомы, пожалуй, электрон и, возможно, нейтрино, а из кварков… гм, знакомых кварков у вас, наверное, нет. Каждому из шести видов кварков дали абстрактное название, не имеющее никакой цели – ни филологической, ни философской, ни педагогической, – кроме цели отличать их друг от друга. Кварки называются так: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный.

А вот бозоны, кстати, названы в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе. Слово «лептон» образовано от древнегреческого «лептос», что значит «маленький» или «легкий». Однако происхождение самого слова «кварк» гораздо интереснее: его источник – литературное произведение. Физик Мюррей Гелл-Манн, который в 1964 году выдвинул гипотезу о существовании кварков как составляющих нейтронов и протонов и в то время считал, что семейство кварков состоит всего лишь из трех членов, позаимствовал их название из «Поминок по Финнегану» Джеймса Джойса, где чайки выкрикивают загадочную фразу: «Три кварка для мистера Марка!»

К чести кварков можно сказать одно: у них очень простые названия – искусство, которое так и не далось химикам, биологам и особенно геологам, которые дают предметам своих изысканий на диво заковыристые имена.

Кварки – те еще фрукты. В отличие от протонов, обладающих электрическим зарядом +1, и электронов, у которых заряд равен –1, у кварков заряды дробные, кратные одной трети. Изловить отдельный кварк нельзя, он всегда цепляется за соседние. Более того, сила, связывающая два (или больше) кварка, лишь возрастает при попытке их разделить, как будто они соединены своего рода субъядерной резинкой. Если растащить кварки достаточно далеко, резинка лопается, и высвобождаемая энергия при помощи E = mc² создает по новому кварку на каждом конце – начинай сначала!

В кварк-лептонную эру Вселенная была такая плотная, что среднее расстояние между несвязанными кварками было сравнимо с расстоянием между связанными кварками. При таких условиях между соседними кварками не могла установиться однозначная связь, и они не образовывали коллективные союзы, а свободно перемещались. Об открытии такого состояния вещества, своего рода кваркового плавильного котла, впервые заявила в 2002 году группа физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде в штате Нью-Йорк.

Есть надежные теоретические указания, что на самом раннем этапе развития Вселенной – возможно, во время одного из разделений основных сил – имел место эпизод, благодаря которому Вселенная стала немного асимметричной: частиц вещества оказалось чуть больше количества частиц антивещества – миллиард одна на миллиард. Такой крошечный перевес едва ли удалось бы заметить в гуще продолжавшегося создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (известных как позитроны), а также нейтрино и антинейтрино. У всякой шальной частицы было полно возможностей найти кого-нибудь, с кем аннигилировать, и это в целом у всех получалось.

Но вскоре все изменилось. Космос продолжал расширяться и остывать, стал уже больше нынешней Солнечной системы, и температура стремительно упала ниже триллиона градусов.

Температуры и плотности остывшей Вселенной было уже недостаточно, чтобы выпекать кварки, поэтому все они расхватали партнеров по танцам, создав крепкую новую семью тяжелых частиц под названием адроны (от древнегреческого «хадрос» – «густой», «толстый»). Переход от кварков к адронам вскоре привел к появлению протонов и нейтронов, а также других, не таких знаменитых тяжелых частиц, которые состоят из всевозможных сочетаний кварков разных видов. В Швейцарии (вернемся на Землю) коллаборация физиков-ядерщиков (Европейский центр ядерных исследований, больше известный под аббревиатурой ЦЕРН) построила большой ускоритель, чтобы сталкивать потоки адронов в попытке воссоздать условия, существовавшие через миллионную долю секунды после Большого взрыва. Эта самая большая машина на свете называется, что логично, Большой адронный коллайдер.

Легкая асимметрия вещества и антивещества в кварк-лептонном бульоне сказалась и на адронах, на сей раз это привело к поразительным результатам.

Вселенная продолжала остывать, и количество энергии, доступной для спонтанного создания частиц, уменьшалось. В адронную эру мимолетные фотоны уже не могли использовать E = mc² для создания пар кварков-антикварков. Мало того, фотоны, возникавшие при остаточных аннигиляциях, отдавали энергию расширяющейся Вселенной и охлаждались ниже порога, необходимого для создания пар адронов-антиадронов. На каждый миллиард аннигиляций, порождавших миллиард фотонов, оставался один адрон. Этим-то одиночкам и досталось все веселье: они стали источником вещества, из которого возникли галактики, звезды, планеты и тюльпаны.

Если бы между веществом и антивеществом не было перевеса в одну частичку на миллиард, вся масса во Вселенной аннигилировала бы, и остался бы космос, состоящий из фотонов и больше ничего: «да будет свет», доведенное до предела.

Вселенная достигла размеров в несколько световых лет[1] – примерно таково расстояние от Солнца до ближайших звезд. По-прежнему довольно жарко – миллиард градусов – и при этой температуре продолжается выпечка электронов, которые то появляются, то исчезают вместе со своими собратьями-позитронами. Но в постоянно расширяющейся и остывающей Вселенной их дни (точнее, секунды) сочтены. Закон, действовавший сначала для кварков, потом для адронов, действует и для электронов: в конце концов остается только один электрон на миллиард. Остальные аннигилируют с позитронами, своими двойниками из антивещества, в море фотонов.

Примерно в это время на каждый протон «замораживается» по одному электрону. Космос остывает, температура падает уже ниже ста миллионов градусов, и протоны связываются с другими протонами, а также с нейтронами: так формируются ядра атомов и зарождается Вселенная, в которой 90 % ядер – водород и 10 % – гелий плюс мизерное количество дейтерия («тяжелого» водорода), трития (еще более тяжелого водорода) и лития.

После этого еще 380 000 лет ничего особенного с нашим бульоном из частиц не происходит. Все эти тысячелетия температура достаточно высока, чтобы электроны свободно летали среди фотонов, раскидывая их туда-сюда по мере взаимодействия друг с другом.

Однако этой вольнице приходит конец, как только температура Вселенной опускается ниже 3000 градусов (примерно вдвое ниже температуры видимой поверхности Солнца) и свободные электроны начинают присоединяться к ядрам. В результате этого союза все кругом заливает видимый свет, навсегда запечатлев в небесах, где в этот момент находилось все вещество, и образование частиц и атомов в первичной Вселенной завершается.

В первый миллиард лет Вселенная продолжала расширяться и остывать, а вещество силой гравитации стягивалось в массивные конгломераты, которые мы зовем галактиками. Их сформировалось почти сто миллиардов, в каждой – сотни миллиардов звезд, в ядрах которых шел термоядерный синтез. Эти звезды, масса которых была примерно в десять раз больше массы Солнца, создавали в своих недрах давление и температуру, при которых вырабатываются десятки химических элементов тяжелее водорода, в том числе и те, из которых состоят планеты и всевозможная жизнь на них, если она есть.

Если бы эти элементы оставались там же, где возникли, от них не было бы решительно никакого толку. Однако массивные звезды то и дело взрываются, и их химически обогащенные ошметки разлетаются по всей галактике. После девяти миллиардов лет подобной мелиорации в ничем не примечательной области Вселенной (на задворках Сверхскопления Девы), в ничем не примечательной галактике (Млечный Путь), в ничем не примечательном уголке (Рукав Ориона) родилась ничем не примечательная звездочка (Солнце). Газовое облако, из которого сформировалось Солнце, содержало столько тяжелых элементов, что их хватило на сложный арсенал вращающихся по орбитам небесных тел – несколько каменистых и газовых планет, сотни тысяч астероидов и миллиарды комет. Первые несколько сотен миллионов лет на более крупные тела падал и налипал всевозможный мусор со случайных орбит. При этом происходили высокоэнергичные столкновения на большой скорости, отчего поверхности каменистых планет плавились, и на них не могли образовываться сложные молекулы. Когда в Солнечной системе осталось меньше свободно путешествующего вещества, поверхности планет начали остывать. Та, которую мы зовем Землей, сформировалась в так называемом «Поясе Златовласки» вокруг Солнца – на таком расстоянии от звезды, что ее океаны остаются по большей части в жидком виде. Если бы Земля была значительно ближе к Солнцу, океаны испарились бы. А если бы значительно дальше, они замерзли бы. В обоих случаях жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы зародиться.

В глубинах жидких океанов, богатых различными химическими элементами, благодаря механизму, который нам еще предстоит открыть, органические молекулы превратились в живые существа, способные к самовоспроизводству. В этом первобытном бульоне преобладали простые анаэробные бактерии – жизнь, бурно развивающаяся в среде, лишенной кислорода, однако вырабатывающая химически активный кислород в качестве продукта своей жизнедеятельности. Эти первые одноклеточные организмы непреднамеренно насытили кислородом атмосферу Земли, богатую углекислым газом, и в результате она стала пригодной для обитания аэробных организмов, которые, возникнув, заполонили и океаны, и сушу.

Те же атомы кислорода, которые обычно встречаются в парах (в виде молекул O₂), в верхних слоях атмосферы объединялись по три и образовывали озон (O₃), который служит щитом, оберегающим поверхность Земли от большей части ультрафиолетовых фотонов Солнца, разрушающих молекулы.

Удивительным разнообразием жизни на Земле – и, надо думать, еще где-нибудь во Вселенной – мы обязаны изобилию в космосе углерода и бесчисленному множеству простых и сложных углеродосодержащих молекул. Сомнений быть не может: различных молекул на основе углерода гораздо больше, чем всех остальных видов молекул вместе взятых.

Однако жизнь очень хрупка. Случайные встречи Земли с большими заблудившимися кометами и астероидами, что раньше случалось сплошь и рядом, то и дело вносили полнейший хаос в ее экосистему. Всего-то 65 миллионов лет назад (меньше 2 % возраста Земли) примерно туда, где теперь находится полуостров Юкатан, врезался астероид массой в триллион тонн, отчего погибло более 70 % земной флоры и фауны, в том числе все знаменитые огромные динозавры.

Вымирание. Эта экологическая катастрофа дала нашим предкам-млекопитающим возможность перестать служить закуской для тираннозавров и заполнить только что освободившиеся ниши. Одна ветвь млекопитающих с большим мозгом, которых мы зовем приматами, эволюционировала в род и вид Homo sapiens, которому хватило ума, чтобы изобрести научные методы и инструментарий – и сделать выводы о происхождении и эволюции Вселенной.

Об этом астрофизики понятия не имеют. Точнее, наши самые творческие идеи на этот счет пока не могут опереться практически ни на какие экспериментальные факты. Именно поэтому некоторые религиозные люди не без высокомерия утверждают, что с чего-то все должно было начаться – что здесь налицо воздействие какой-то особенно мощной силы и должен был быть какой-то первоисточник, положивший начало всему. Перводвигатель. С точки зрения человека верующего это, безусловно, Бог.

Но, может быть, Вселенная была всегда – в каком-то состоянии, которое нам еще предстоит определить? Например, существует множественная Вселенная, непрерывно порождающая дочерние? Или, может быть, Вселенная взяла и возникла из ничего? Или все, что мы знаем и любим, – не более чем компьютерная модель, созданная для забавы какой-то сверхразумной расой инопланетян?

Подобные предположения интересны с философской точки зрения, но, как правило, никого не удовлетворяют. Зато напоминают нам, что невежество – естественное состояние сознания ученого-исследователя. Люди, которые считают, что всё знают, либо никогда не искали, либо никогда не натыкались на границу между изведанной и неизведанной Вселенной.

Однако мы точно знаем и можем утверждать безо всяких сомнений, что у Вселенной было начало. Вселенная продолжает развиваться. И да, биографию каждого атома в нашем организме можно проследить до Большого взрыва и термоядерных топок в недрах массивных звезд, взорвавшихся более пяти миллиардов лет назад. Мы – ставшая живой звездная пыль, которой Вселенная дала силы постичь саму себя, и мы еще только-только приступили к этой задаче.