Вселенная в электроне

Первый миг после рождения

В этот исчезающе малый отрезок времени как раз и происходило становление вакуума. Чтобы понять, как это было, вспомним о хиггсонах — семействе элементарных частиц, — которые предсказываются всеми теориями, объединяющими электромагнитные силы с другими типами взаимодействий. Пока не известны ни масса, ни другие свойства этих частиц, все это зависит от варианта теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Но все варианты предсказывают, что хиггсоны взаимодействуют между собой напрямую, без посредства других типов частиц. Такое самодействие, соответствующий ему «смог» и определяют основные свойства вакуума, в том числе и его энергию. В зависимости от того, как взаимодействуют хиггсоны, вакуум может находиться в различных состояниях, подобно тому как, например, углерод может пребывать в состоянии графита или в состоянии алмаза. И вот что важно: увеличение числа хиггсонов приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой «уровень» мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.

Так вот, расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам теоретиков это произошло где-то на уровне 10-35 секунд. В это время она была еще чрезвычайно горячей, и происходившие в ней физические процессы управлялись законами единого нерасщепленного взаимодействия. Как говорит теория, хиггсоны при этих условиях распадались, едва успев образоваться. Они становятся устойчивыми только тогда, когда «сильная» компонента единого взаимодействия отличается от остальных; если же различные типы сил равноправны, хиггсонов в пространстве практически нет.

Опустевшая Вселенная мгновенно начала раздуваться, увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры быстрого раздувания она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и, соответственно, выпадением (кристаллизацией) огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов. Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной (плавающей в вакууме) массы подскочила на сотню порядков — увеличилась в 10100 раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. Каких только чудес не открывает физика!

Это весьма грубая картина того, что происходило в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве.

Продолжительность эры быстрого раздувания составляла всего 10-32 секунд — трудно вообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной. И подобно тому как это всегда происходит при выделении из расплава твердого вещества, рождение частиц сопровождалось выделением тепла (вспомним, как мы радуемся повышению температуры, когда на улице идет снег и мороз сменяется мягкой погодой!). К концу эры быстрого раздувания Вселенная снова раскалилась настолько, что родившиеся частицы расплавились в кварк-глюониую плазму. Образовался огромный шар раскаленного вещества. Это как раз и есть тот горячий «праисторический мир» Гамова, в котором при дальнейшем уже сравнительно медленном расширении Вселенной по стандартному фридмановскому сценарию «сварилось» окружающее нас вещество.

Новый космологический сценарий не перечеркнул и не отбросил теорию Фридмана, он включил ее как необходимый фрагмент, описывающий более позднюю стадию развития Вселенной.

История Вселенной

Новая теория рассказывает нам о событиях во Вселенной, начиная с 10-42 — 10-40 секунд после ее рождения, когда размеры мира были немногим больше геометрического кванта или около того. Что было еще раньше, как произошло рождение Вселенной — об этом можно лишь гадать. Это тайна тайн. Можно лишь утверждать, что материя заведомо не могла возникнуть «из ничего», и рождению «нашего мира» предшествовали какие-то другие его состояния.

Когда говорят, что Вселенная родилась столько-то лет тому назад, молчаливо предполагается, что тогда время можно было измерять по тем же часам, что и сегодня. А это не так. В окрестностях «Биг Бэнга» свойства времени, его ритм были совсем иными. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее начала, где оно, по-видимому, распадалось на отдельные порции — кванты, а возможно, было даже многомерным, можно лишь весьма условно. Как метко заметил английский физик Стив Хоукинг, спрашивать, что было раньше «Биг Бэнга» — например сорок или пятьдесят миллиардов лет назад, — так же неразумно, как просить указать точку, которая на километр севернее Северного полюса. Подобно тому как понятие «север» теряет всякий смысл на полюсе, так и понятие «время» утрачивает смысл в точке «Биг Бэнга».

Сегодня ясно одно: в окрестностях «начала мира» действовали какие-то особые, неизвестные нам законы природы. Наша физика там не применима, она дает бессмысленные результаты: нули и бесконечности.

В еще совсем недавно изданных книгах можно прочитать, что мы многое узнаем о механизме рождения мира, когда заглянем на край расширяющейся Вселенной, на расстояния порядка 1023 километров, где находятся разлетающиеся осколки ее горячей фазы. Однако теория раздувающейся Вселенной убеждает нас в том, что там можно увидеть лишь следы ее повторного разогрева. О том, что происходило раньше, может рассказать пока только теория.

Впрочем, положение не безнадежно. Ведь научились же определять химический состав удаленных звезд! А ведь было время, когда считалось, что это принципиально невозможно. Немецкий философ Иммануил Кант приводил это даже как пример вопроса, который никогда не найдет ответа. Развитие спектрального анализа обнаружило следы, говорящие о составе звезд, о свойствах испускаемого ими света. В природе все взаимосвязано. Вполне возможно, что следы рождения мира сохранились в каких-то явлениях. Все происходящее в мире оставляет свои «отпечатки пальцев», надо только уметь их разглядеть.

Если верить теории, то основная история Вселенной, наиболее бурные качественные изменения в ней приходятся на несколько первых секунд ее жизни, а теперь мы наблюдаем лишь плавно затухающие последствия (как говорят физики, «хвост») грандиозных событий.

Таинственные события вблизи «Биг Бэнга», распухание Вселенной, выделение заполняющего ее вещества из вакуума и его разогрев, превративший мир в гигантский огненный шар, — все это успело произойти за 10-32 секунд. Родившиеся из вакуума частицы «расплавились» (точнее, распались на составляющие элементы) и снова стали выпадать в осадок из «расплава» лишь после того, как Вселенная несколько остыла. Сначала образовались очень тяжелые частицы, для которых требуется много энергии, потом все более и более легкие. А когда плотность вещества снизилась до уровня, который существует в атомных ядрах (это в десять тысяч миллиардов раз больше плотности стали!), образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось примерно через десятитысячную долю секунды после «Биг Бэнга». Какая-то часть образовавшегося таким образом ядерного вещества аннигилировала и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а оставшаяся часть вскоре распалась на ядра и антиядра. Вселенная превратилась в раскаленную плазму — состояние вещества, которое ученые сегодня стараются создать в реакторах для получения термоядерной энергии. Постепенно охлаждаясь, плазма испускала сначала свет, затем инфракрасное тепловое излучение, как стенка нагретой печки. На этой стадии физические процессы стали медленными. Остаточное тепловое излучение охладившейся Вселенной, которое фиксируют наши приборы в космосе, было испущено, когда ее возраст составлял уже около сотни тысяч лет. Галактики и звездные системы образовались еще позднее, через несколько миллиардов лет после «Биг Бэнга». По сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной в пятнадцать — двадцать миллиардов лет, это уже совсем недавно. В космическом масштабе, конечно.