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

чтобы положительно заряженные протоны и альфа-частицы[18] могли захватывать электроны и образовывать атомы водорода и гелия. До того электроны, вероятно, обладали слишком большой энергией, чтобы прикрепляться к протонам или альфа-частицам. А значит, фотоны (частицы света) не могли свободно передвигаться, не сталкиваясь при этом с этими заряженными частицами и не взаимодействуя с ними, так что во всем космосе появилось тусклое свечение. Но когда Вселенная охладилась достаточно, чтобы могли образовываться атомы, космос стал прозрачным и фотоны получили свободу. И с тех пор это свечение расходилось в разные стороны по всей Вселенной.

Этот реликтовый свет по мере расширения Вселенной терял свою энергию, но не за счет замедления, поскольку скорость света всегда постоянна. По мере расширения пространства растягивалась длина световой волны, так что сегодня, через миллиарды лет, этот свет уже находится не в видимой части спектра, а на сверхвысокочастотных волнах. Астрономы измерили это излучение и обнаружили, что оно соответствует температуре далекого космоса, чуть менее трех градусов выше абсолютного нуля. Это значение близко к прогнозам, основанным на теории Большого взрыва, – их, между прочим, сделали еще до проведения температурных измерений.

Но давайте вернемся в еще более давние времена существования нашей Вселенной, когда атомов еще не было. Она начиналась с фантастически раскаленного пузыря энергии, который за одну триллионную долю секунды охладился до такой температуры, что за счет конденсации энергии по мере расширения пространства смогли сформироваться субатомные частицы, кварки и глюоны. Сначала эти частицы обладали огромной энергией и безудержно носились в горячем «бульоне», называемом кварк-глюонной плазмой, при температуре триллионы градусов Цельсия. Затем, когда Вселенная просуществовала какую-нибудь миллионную долю секунды, они начали слипаться, образуя протоны и нейтроны (наряду с другими, более тяжелыми частицами). Далее, в эти первые секунды своего существования материя прошла через различные стадии эволюции, когда образовывались и исчезали самые разные частицы. Именно здесь мы сталкиваемся с одним из важнейших вопросов физики, на который у нас еще нет ответа, – с тайной исчезнувшей антиматерии.

Через несколько лет после того, как в 1928 году существование антиматерии предсказал Поль Дирак, Карл Андерсон открыл ее наличие в космических лучах: это высокоэнергетические космические частицы, которые сталкиваются преимущественно с молекулами кислорода и азота в верхних слоях земной атмосферы, образуя дождь вторичных частиц, включающий античастицу электрона – позитрон. Теперь мы знаем, что все элементарные частицы (фермионы) имеют зеркальных партнеров в антиматерии[19].Когда электрон приходит в контакт с позитроном, они полностью аннигилируют друг друга, а их массы объединяются и трансформируются в чистую энергию в соответствии с формулой E = mc2.

В самых мельчайших микромирах также постоянно происходит процесс, обратный этой аннигиляции. Если бы мы могли увеличить квантовый мир, мы бы увидели, как разные частицы и их античастицы то возникают, то исчезают в процессе беспрерывного обмена между материей и энергией. Так, фотон, который представляет собой не более чем сгусток электромагнитной энергии, может трансформироваться в электрон или позитрон. Этот процесс известен как «создание пар». Но в реликтовой, плотной Вселенной, когда частицы и античастицы то появлялись, то исчезали, материя по какой-то причине начала преобладать над энергией. На это указывает тот факт, что мы вообще существуем. Нам еще предстоит понять, что случилось с «исчезнувшей антиматерией», которая, к счастью для нас, породила избыток материи, наблюдаемый нами сегодня.

Через несколько минут после Большого взрыва создались нужные условия для того, чтобы протоны (ядра водорода) и нейтроны слились, образуя гелий плюс крошечное количество элемента номер три, лития. Но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться, температура и давление упали ниже того порога, когда из более легких частиц могли формироваться более тяжелые. Так случилось потому, что для термоядерной реакции сливающиеся ядра должны обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания своих положительных зарядов, однако ниже определенной плотности и температуры это уже не происходит.

Немного позже, после эры рекомбинаций, атомы начали слипаться под воздействием притяжения – пока я воздержусь от разговора о важнейшей роли, которую играет черная материя, об этом мы поговорим в главе 8 – и начали формироваться реликтовые газовые облака (протогалактики), а более плотные сгустки внутри этих облаков все сильнее сжимались из-за притяжения, пока они не нагревались до такой температуры, при которой термоядерная реакция возобновлялась. Зажигались новые звезды, и термоядерные реакции, происходящие в них, приводили к образованию новых элементов: углерода, кислорода, азота, а также других, которые сейчас есть на Земле.

Большая часть звезд первого поколения во Вселенной уже не существует, поскольку они давно взорвались как сверхновая, выбросив в космос большую часть своего содержимого и оставив сжатую материю в виде нейтронных звезд или черных дыр. Более тяжелые элементы – то есть все элементы периодической системы, кроме железа, – образуются только благодаря таким бурным событиям, как слияния новых, сверхновых и нейтронных звезд. Чем выше температура и чем экстремальнее условия в звезде, тем глубже процесс ядерного синтеза и тем более тяжелые элементы смогут образоваться – серебро, золото, свинец или уран. Это объясняется тем, что температура и плотность внутри звезды, необходимые для образования тяжелых элементов, достигаются в этот последний, драматический момент жизни звезды, когда она подвергается сильнейшему сжатию и при этом интенсивно сбрасывает внешние слои.

Материя, извергаемая при взрыве звезды, смешивается с межзвездным газом и может снова собираться в сгустки, образуя звезды следующего поколения. Тот факт, что на Земле есть такие тяжелые элементы, подтверждает, что наше Солнце является звездой по крайней мере второго поколения. Вот почему, как вы, наверное, слышали, иногда говорят, что мы буквально состоим из звездной пыли, поскольку многие атомы нашего тела сформировались именно внутри звезд.

Теперь, когда, как я надеюсь, я дал вам некоторое представление о том, как была образована материя во Вселенной, а также о тесных взаимосвязях между материей и энергией, пространством и временем, мы готовы окунуться в микрокосм, в мир совсем малого, который нельзя описать в терминах общей теории относительности. Пора исследовать квантовую механику, которая считается вторым столпом физики.

Глава 5. Квантовый мир

В 1799 году Джозеф Бэнкс, президент Королевского общества в Лондоне, основал новое учреждение, Королевский институт Великобритании, имевший целью внедрение «полезных механических изобретений и усовершенствований», а также «чтение [широкой публике] курсов