Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

К сожалению, мы не можем точно предсказать, каким будет это число, но измерить его несложно. Оно говорит нам о том, что в возникшей Вселенной был почти идеальный баланс частиц вещества и антивещества, однако по непонятной нам причине совпадение было не совсем идеальным. На самом деле существовали 1 600 000 000 частиц антивещества и 1 600 000 001 частица вещества. 1,6 миллиарда тех и других вступили во взаимодействие и аннигилировали, создав все эти фотоны, а все звезды, планеты и галактики во Вселенной сегодня состоят из оставшихся частиц (из расчета одна на миллиард).

Мы не можем «увидеть», что происходило до появления первых атомов, но, как сказал Блез Паскаль: «Если наш взгляд здесь остановится, пусть наше воображение идет дальше»3. Мы можем прокрутить время вспять от момента, наставшего 390 000 лет тому назад, когда температура составляла около 3000 К и на кубический сантиметр приходилось около 1000 атомов (плотность была подобна той, какая характерна в наши дни для типичного межзвездного облака, но это намного превосходит лучший вакуум, который мы можем создать на Земле). Когда мы пройдем 99,99999999 % обратного пути и почти вернемся к началу, Вселенной исполнится всего три минуты (да, три наших минуты, 180 секунд).

Температура сейчас составляет 1 миллиард кельвинов (как в ядре массивной звезды), но плотность лишь примерно в десять раз превышает плотность воздуха. С этого момента и до того, как прошла одна секунда, возникают все наши ядерные «кирпичики». Протоны, которые появились еще раньше, сталкиваются достаточно сильно и иногда слипаются, образуя дейтерий (2H), Гелий (3He и 4He) и немного Лития (7Li и, возможно, даже следовое количество 6Li). Наблюдения показывают, что около 24,5 % вещества превращаются в 4He, 0,0035 % – в 2H, 0,001 % – в 3He и 5 из каждых 10 миллиардов частиц – в 7Li. Это, в свою очередь, позволяет нам представить, какими были условия, когда Вселенная достигла возраста в 1 секунду: плотность вещества составляла примерно одну десятую плотности воды, а температура – 10 миллиардов градусов; это точка, в которой фотоны теряют способность образовывать электрон-позитронные пары, так что соотношение фотонов и частиц материи фиксируется навсегда.

Нам незачем задерживаться, и мы продолжим путь. Через 10–4 секунды Вселенная достигает размера нашей Солнечной системы, и в ней «упакованы» все сегодняшние 1078 частиц; температура составляет 1 триллион кельвинов, а плотность равна плотности атомного ядра. Как мы уже отмечали, в тот момент, когда кварки находятся в такой тесноте, возникает сильное взаимодействие, и они сливаются в триплеты, образуя протоны и нейтроны. До этого фотоны настолько энергичны, что могут разбить эти тройки на части, но по мере того, как Вселенная «остывает» до 1 триллиона градусов, это становится невозможным – протоны и нейтроны оказываются в безопасности, а свободные кварки изгоняются из космоса.

Конечно, до этого тоже происходит немало интересных событий. Когда Вселенной исполняется 1 микросекунда (10–6 с), ее температура составляет 10 триллионов кельвинов, а ее плотность в 1000 раз превышает плотность атомного ядра. Сложных частиц еще нет – у нас лишь главные строительные блоки: кварки, электроны, их античастицы и фотоны (плюс обилие малополезных нейтрино). Хотя космологические модели позволяют нам зайти в исследовании прошлого еще дальше, пока что нас вполне устроит Вселенная размером с большую звезду – очень горячая, очень плотная и состоящая исключительно из аморфных частиц. Вероятно, именно здесь раскрывается таинственная асимметрия между веществом и антивеществом, благодаря которой мы и получили материал, из которого сделано все на свете.

Эта модель описывает условия, очень далекие от нашей повседневной жизни – но это вовсе не безудержные спекуляции. Они основаны на хорошо известной нам физике, тщательно проверенной в наших лабораториях и в ускорителях частиц. Слияние кварков в протоны и нейтроны, аннигиляция вещества и антивещества, образование ядер атомов, помимо Водорода, формирование нейтральных атомов – все это хорошо изученные явления. Температура и крошечные флуктуации космического микроволнового фонового излучения, относительное содержание каждого из легких ядер и масштабная структура современной Вселенной – все это жестко ограничивает условия, преобладавшие в первые моменты существования космоса. В частности, мы представляем себе историю кварков и лептонов за все 13,8 миллиарда лет, миновавших с микросекунды (t = 10–6 с) до настоящего времени. И теперь, когда мы знаем ее, нам выпала честь обратиться к самим атомам, созданным из этих элементарных частиц, и попросить их поведать нам историю нашего мира.

Эпилог: История кварка

На протяжении всей этой книги присутствие, отсутствие, возбуждение и преображение крошечных атомов позволяло нам воссоздать истории, связанные с нашей культурой, нашей планетой и нашей Вселенной. Однако у каждого из них есть своя собственная история, и если учесть, насколько стабильны их составляющие, она восходит к началу времен. Сказка-притча, приведенная ниже, подведет итог всему, что нам удалось узнать.

Я – верхний кварк. Я родился на свет в хаотическом квантовом супе, когда Вселенной исполнилась одна микросекунда, и меня тут же привлекла – или, можно даже сказать, притянула – пара из двух кварков, верхнего и нижнего. Мы втроем тут же поладили, объединились, образовали неразрывную связь и стали одним из первых протонов во Вселенной. По прошествии ста долгих микросекунд наш протон лоб в лоб столкнулся с одним чересчур энергичным электроном, вследствие чего последний был незамедлительно поглощен, нейтрализовал наш положительный заряд и образовал нейтрон. Впрочем, когда Вселенной было уже тридцать секунд, мои спутники-кварки и я, заскучав в этом нейтральном состоянии, избавились от электрона (иными словами, наш нейтрон претерпел бета-распад) и вернулись к нашей фундаментальной «протонности».

Прошло еще несколько секунд, и случилось новое столкновение – к нам прикрепился другой нейтрон, образовав дейтерий. Но увы! Пара мгновений, и в нас влетел фотон (какая многолюдная вечеринка!) – и мы снова разлучились. Однако через минуту мы нашли новый нейтрон, и на этот раз связь стала более прочной – Вселенная расширилась, у фотонов растянулись длины волн, и ни одному из них уже не хватало энергии, чтобы оторвать нас друг от друга. Наш протон и нейтрон – настолько привлекательная пара, что все так и просятся к нам на вечеринку; через несколько секунд появляется еще одно ядро дейтерия, и мы быстро формируем ядерную семью из четырех частиц – стабильное ядро Гелия.

Так миновали сотни тысяч лет. Впрочем, я не унывал – мне было хорошо в ядре нашего Гелия. На вечеринках уже не так много гостей, и стало заметно прохладнее. По прошествии 390 000 лет, когда температура упала до нескольких тысяч кельвинов, мы захватили пару электронов, пролетевших мимо, и они обещали вращаться вокруг нас вечно. Правда, один время от времени ускользал, приблизившись к особо энергичному фотону, – но поскольку все электроны одинаковы, его вскоре сменял другой, и никто ни о чем не подозревал. Нашему атому Гелия было вполне достаточно двух его электронов, и соединяться с другими атомами он не хотел (на самом деле хотел, но не мог, но мы предпочитаем говорить об этом как о самоопределении). Так продолжался наш одинокий дрейф во все более широкой Вселенной.

Еще 400 миллионов лет, и мы оказались в облаке атомов Водорода и Гелия – оно было необычайно привлекательным и привлекло к себе примерно 1068 атомов, создав огромную структуру, которую однажды назовут Млечным путем. В нем было просторно – ближайшие атомные соседи пролетали в сантиметре от нас. Так продолжалось 9 миллиардов лет, а потом соседей стало больше – поначалу двое, потом десять, потом десять тысяч, а следом и миллион «попутчиков» втиснулись в кусочек пространства размером с кубик сахара, который прежде был только нашим!