Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

положительным зарядом, равным двум третям отрицательного заряда электрона, и один нижний кварк с отрицательным зарядом, который составляет одну треть электронного. В сумме они составляют +1, что соответствует положительному заряду протона. С другой стороны, нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, так что его заряд равен нулю.

В целом существует шесть различных ароматов кварков, и у каждого – своя масса. Подобно верхнему и нижнему кваркам, которые составляют атомное ядро, остальные четыре получили совершенно произвольные наименования «странный», «прелесть», «топ» и «ботом». Эти кварки тяжелее, чем верхний и нижний, но существуют только мгновения. Наконец, кроме электрического заряда, кварки обладают еще одним свойством, которое называется цветовым зарядом и связано с сильным ядерным взаимодействием, оно помогает объяснить то, как кварки взаимодействуют друг с другом[16].

Электроны принадлежат к другому классу частиц, под названием лептоны, и их тоже шесть видов. Наряду с электронами, известны еще мюоны и тау (недолговечные тяжелые «кузены» электронов) и три вида нейтрино (очень легкие, почти неуловимые частицы, образующиеся в процессе бета-распада). Лептоны не воспринимают сильного ядерного взаимодействия и не несут цветного заряда.

Теперь подытожим. Согласно современным воззрениям, стандартная модель физики частиц говорит нам, что существует два вида частиц: материальные (фермионы), которые включают в себя шесть ароматов кварков и шесть – лептонов, и частицы – переносчики силы (бозоны), которые включают в себя фотоны и глюоны, W и Z, и, конечно, бозон Хиггса, о котором мы поговорим позже.

Если все эти рассуждения звучат слишком сложно, то вам будет приятно услышать, что в большинстве жизненных ситуаций их можно не учитывать. Все, что вы видите, – вся материя, из которой состоит наш мир, включая наши тела, все, что мы видим в космосе, – Солнце, Луна и звезды – состоит из атомов, а атомы, в свою очередь, только из двух видов частиц – кварков и лептонов. На самом деле атомы состоят только из кварков двух видов (верхних и нижних) плюс один вид лептонов (электрон). Вот и все. Если иметь это в виду, то основные строительные блоки материи даже менее сложны, чем четыре стихии древних греков.

Краткая история материи и энергии

Так как же вообще возникла вся материя? Чтобы это понять, нужно снова уменьшить масштаб и обратиться к исследованию космоса в самом широком плане.

Уже более века мы знаем, что наша Вселенная расширяется. Астрономы наблюдали, как свет далеких галактик смещается к красному концу электромагнитного спектра, свидетельствуя о том, что эти галактики удаляются от нас. По сути, чем дальше они от нас, чем больше смещение их света к красному концу спектра, тем быстрее они должны удаляться. Однако, наблюдая, как галактики разбегаются в разных направлениях, нельзя считать, что мы находимся в привилегированном положении в центре Вселенной. Это скорее означает, что все галактики удаляются друг от друга, поскольку пространство между ними увеличивается. Обратите внимание, что это расширение не касается пространства внутри галактических кластеров, таких как наша собственная группа, включающая Млечный Путь, Андромеду и ряд более мелких галактик, которые расположены достаточно близко друг от друга, чтобы ощущать силу притяжения и сопротивляться такому расширению.

Но какое отношение, спросите вы, расширение Вселенной имеет к происхождению материи и энергии? Что ж, это расширение является одним из самых убедительных доказательств в пользу теории Большого взрыва – того момента за 13,82 миллиарда лет до нас, когда в условиях невероятно высокой температуры и плотности произошел акт рождения нашей части Вселенной. Проще говоря, если Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, расширяется, а галактики разлетаются в разные стороны, то в прошлом все эти части должны были быть гораздо ближе друг к другу. В какой-то момент времени, если мы углубимся в далекое прошлое, вся материя, а также пространство вокруг нее были, видимо, сжаты в единое целое. Поэтому во всей Вселенной нет такого места, куда мы могли бы полететь, установить флаг и сказать, что здесь и произошел Большой взрыв. Большой взрыв произошел в любой точке Вселенной. И чтобы уж совсем сбить вас с толку, скажу: если Вселенная сейчас не имеет границ (что вполне вероятно), она должна быть безграничной и в момент Большого взрыва (поскольку нельзя расширить нечто конечное и сделать его бесконечным – если только в вашем распоряжении нет бесконечного времени). То, что Большой взрыв произошел всюду в бесконечной Вселенной, а не в каком-то определенном «месте», – это концепция, которую очень важно понять.

Более современный и концептуально более логичный подход к этой идее состоит в том, что Большой взрыв, о котором мы говорим, – событие локального масштаба. Он дал начало только той части Вселенной, которую мы можем разглядеть, тогда как во Вселенной есть и другие области, которые мы не можем увидеть, и там произошли свои Большие взрывы. Это один из способов, объясняющих идею множества вселенных, к которой я обращусь в главе 8.

Есть еще много доказательств в пользу теории Большого взрыва – например, обилие легких элементов. Около одной трети массы всей материи, которую мы наблюдаем во Вселенной, состоит из водорода, а одна четверть – из гелия (следующего за водородом по атомной массе)[17].Только ничтожная доля приходится на все остальные элементы, и большая их часть образовалась в звездах гораздо позже Большого взрыва. Преобладание во Вселенной водорода и гелия предсказано Большим взрывом, и именно это мы наблюдаем. И как удачно, что для доказательства этого нам не нужно путешествовать по всей Вселенной. Свет, который мы видим в телескоп, содержит красноречивые свидетельства о далеких атомах, которые его породили, или тех, через которые он прошел на своем пути к Земле. И это одно из самых прекрасных научных достижений – что мы можем узнать, из чего состоит Вселенная, просто изучая свет, доходящий до нас из космоса.

Другой факт в пользу теории Большого взрыва – открытие 1964 года, которое окончательно подтвердило ее истинность, – существование так называемого космического сверхвысокочастотного фонового излучения. Это реликтовое излучение, которое заполняет весь космос, возникло вскоре после Большого взрыва, когда впервые сформировались нейтральные атомы. Этот период истории Вселенной называется эрой рекомбинации. Это случилось через 378 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная уже расширилась и достаточно охладилась для того,