Вселенная. Руководство по эксплуатации - Бломквист Джефф

После одной секунды п. Б. в. расстояния между частицами стали слишком велики, и энергии нейтрино стали слишком низки, уже не было никакой речи ни о каких протонах и нейтронах, и нейтрино просто жили себе припеваючи, и больше о них никто ничего не слышал. Но не попадайтесь на эту удочку — подобно фотонам после комбинации, они по-прежнему среди нас. Просто мы о них как-то забываем. А зря, поскольку они сделали на ранних этапах одну очень важную вещь — обеспечили приблизительный баланс протонов и нейтронов. Когда нейтрино ушли на покой, протоны, нейтроны и фотоны затеяли сложный танец слияния и разделения, в ходе которого:

1)  нейтроны, протоны и дейтерий налетали друг на друга, создавая таким образом все более и более тяжелые элементы;

2)  с другой стороны, высокоэнергичные фотоны разбивали атомные ядра.

Оставшиеся холостыми, нейтроны в конце концов махали рукой на свои холостяцкие принципы и распадались на протоны.

Все это время Вселенная становилась все более и более диффузной и остывала, отчего вышеописанный процесс приходилось завершать в крайней спешке. Когда танец начался, нейтронов было почти столько же, сколько и протонов, так что если бы атомы формировались очень быстро, то все нейтроны нашли бы себе пару, и самым распространенным элементом был бы гелий. Гелий — самый простой атом, в котором есть нейтроны, у него равное количество нейтронов й протонов, и он очень и очень стабилен. Не правда ли, вы догадывались, что все эти разговоры о «балансе» — отнюдь не праздная болтовня?

Нам повезло: протоны и нейтроны не стали сохранять баланс, поскольку иначе Вселенная была бы очень скучной. Почему? А вы попробуйте сделать из гелия что-нибудь стоящее. А мы вам пальто подержим.

Так вот, после большого взрыва у нас в распоряжении оказался не только гелий. Главная причина, по которой это произошло, заключалась в том, что весь процесс занял несколько минут, за которые многие нейтроны решили из карьерных соображений превратиться в протоны. Они распались и ни о чем не жалели. Поэтому нейтронов для танцев оказалось маловато, и оставшимся протонам пришлось танцевать шерочка с машерочкой. Вот почему у нас так много водорода.

Мы вас со всей определенностью заверили, что на каждый миллиард фотонов приходится только один барион. Измерить количество фотонов мы можем очень точно, поскольку просто подсчитываем всю энергию, которая исходит из фонового космического излучения. Подсчитать количество барионов, с другой стороны, труднее. Для начала рассмотрим гелий. Элементы нельзя создать разом, надо делать это по частям. Это значит, что, для того чтобы сделать гелий, надо сначала добавить протон к нейтрону и получить дейтерий — это крепыш-братец водорода. Получившиеся атомы дейтерия (так называемые дейтероны — ведь у них нет электронов) можно сливать с протонами, нейтронами, а также с другими единомышленниками-дейтерионами. Процесс идет некоторое время, а затем все остывает, и все протоны и нейтроны оказываются скованы в стабильные элементы.

А что если мы решим взять да и сделать вселенную, которая была бы почти совсем идентична нашей, но поместим в нее изначально вдвое больше барионов? В первые несколько минут наша вселенная в пробирке будет заселена даже гуще, чем наша. Будет очень быстро создаваться дейтерий, а он, в свою очередь, начнет врезаться в протоны и другие дейтероны, выводя их из строя. Если проследить развитие событий до конца, окажется, что чем больше в искусственной вселенной барионов, тем меньше дейтерия (незначительно) и тем больше гелия (немного).

Если немного поиграть с начальными условиями, вся химия окажется совсем другой, а мы, измерив, сколько у нас дейтерия, сможем подсчитать все барионы во вселенной и к тому же сделать точные оценки количества остальных элементов. Так что все, что нам нужно,— это узнать, насколько распространен дейтерий, а тогда мы сможем вычислить, сколько у нас всего барионной материи. Если рассмотреть самые старые звезды и измерить отношение количества дейтерия к количеству обычного водорода, окажется, что на каждую сотню тысяч атомов водорода приходится примерно один атом дейтерия.

Если мы достанем тот листок бумаги, на котором проделывали все вычисления, то увидим, что Пв обычного вещества (то есть не темной материи) составляет около 5%. Если это число смутно вам знакомо, то дело в том, что оно совпадает с той массой, которую мы получаем, когда суммируем массу, наблюдаемую в звездах и газе.

Вот это да! Мы одним махом показали, что наша модель возникновения элементов если и не правильная, то по крайней мере невероятно аккуратная и подтверждает те данные, которые мы получили непосредственно от галактик. Мы точно знаем, что происходило через одну секунду п. В. в. и сколько во Вселенной обычной материи. Эта модель даже немного (но ощутимо) зависит от удивительных вещей — например, от того, сколько существует разных типов нейтрино. Их три, и наши вычисления это подтверждают. Благодаря той же модели мы можем точно предсказать количество микроэлементов вроде лития или гелия-3, каждый из которых наблюдается именно в том количестве, которое соответствует нашей модели.

Но не надо стараться прыгнуть выше головы. Если после большого взрыва были созданы только водород, гелий, дейтерий и несколько других очень легких элементов, откуда взялось все остальное? Откуда взялась основа всего живого — углерод с кислородом? Ведь крошку Билли уж точно нельзя было бы сделать из вещества, получившегося в результате Большого взрыва. Все более тяжелые элементы — углерод, кислород, золото и все прочее — создается в звездах. Когда самые массивные звезды вспыхивают и превращаются в сверхновые (о чем мы говорили в главе 6), эти тяжелые элементы так и выстреливают во Вселенную — ив конце концов составляют всякую всячину вроде нас с вами, пиратов и крошки Билли.

Заглядывая все дальше в прошлое, мы наблюдаем общую тенденцию. Вселенная становится все горячее и горячее, частицы — все энергичнее и энергичнее, а это обычно означает, что они движутся все быстрее и быстрее. По большей части все происходит довольно плавно,, но иногда приключаются и резкие скачки.

Вот, например, поговорим о том, что происходило, когда Вселенной было отроду около 10-12 секунд. До этого времени температуры были настолько чудовищно высоки, что частицы Хиггса, с которыми мы в последний раз виделись в главе 4, не могли сконденсироваться в свое нынешнее состояние частиц. В результате до этого момента (если 1-12 секунд можно с полным правом назвать моментом) ни одна из частиц не обладала массой. Для некоторых частиц вроде электронов и нейтрино набор массы был не слишком важным делом, поскольку они и так довольно миниатюрны. Даже после появления частицы Хиггса они все равно шныряли по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света.

Но другие частицы, например W и Z (переносчики слабого взаимодействия), предавались набору массы со всей серьезностью. До того как Вселенной исполнилось 10-12 секунд, частицы W и Z почти ничем не отличались от фотонов. На самом деле это означает, что не было никакой разницы между электромагнетизмом (фотоны) и слабым взаимодействием (W и Z), так что эти силы объединялись в одно «электрослабое» взаимодействие.

Что же изменилось? Между «иметь массу» и «не иметь массы» есть большая разница, причем безо всякого плавного перехода. В главе б мы упоминали о том, что пустое пространство совсем не такое пустое, как выдумали. Оно битком набито энергией и постоянно занято созданием и распадом частиц. Это и есть та «энергия вакуума», которая вызывает эффект Казимира, а возможно, и ускорение Вселенной в наше время. Кроме того, это основа, на которой происходят все взаимодействия частиц. Примерно в 10-12 секунд вакуум перешел из высокоэнергичного в низкоэнергичное состояние,— вот почему законы физики тоже изменились. Именно поэтому все W и Z и частицы Хиггса знают, что должны или иметь массу, или обеспечивать ее, или и то и другое. Когда вакуум перешел из одного состояния в другое, была отчасти утрачена столь дорогая нам симметрия, и слабое и электромагнитное взаимодействия разделились.