Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Сегодня наша Вселенная состоит, в основном, из вещества, а не из антивещества. Если вещество и антивещество поместить достаточно близко друг к другу, произойдет их взаимная аннигиляция, после которой останется сильная вспышка излучения. В ходе этого процесса, в сущности, вся масса преобразуется в энергию. Однако существуя на своей планете, мы никогда не наблюдаем такую аннигиляцию. Почему? Потому что Земля почти полностью состоит из одного только вещества, а антивещества в ней нет. То, что миссии NASA к Луне, а потом к Марсу, не завершились эффектными вспышками излучения, совершенно определенно указывает на то, что наша Солнечная система также состоит из вещества и практически не содержит антивещества. Наблюдая более крупные масштабы, типа Галактики и даже всей Вселенной, мы также приходим к выводу о присутствии вещества и выраженном отсутствии антивещества. По приблизительным оценкам, наша Вселенная содержит около 1078 протонов и нейтронов с относительно незначительной примесью антипротонов и других антиматериальных частиц.

Однако, несмотря на эту крайнюю асимметрию, которая наблюдается в нашей Вселенной, законы физики не отдают предпочтение веществу перед антивеществом. Согласно этим базовым законам, которые бессчетное число раз проверялись в ходе лабораторных экспериментов, изначально вещество и антивещество находятся в равном положении. И все же во Вселенной существует дисбаланс. Ясно, что готовится что-то любопытное.

Частицы, состоящие из обычного вещества, типа протонов и нейтронов, называются барионами. Частицы антивещества именуются антибарионами. Так что наша Вселенная выражает суммарное барионное число, определяемое как разность общего числа барионов и общего числа антибарионов. Чтобы космос достиг такого конечного результата, законы физики должны разрешать некий физический процесс, в ходе которого барионное число не сохраняется строгим образом. Существование этого процесса (нарушающего закон сохранения барионного числа) имеет глубокие последствия как для образования вещества в ранней Вселенной, так и для долгосрочной судьбы вещества в отдаленном будущем.

Что касается последнего вопроса, неспособность законов физики обеспечить строгое сохранение барионного числа говорит о том, что протоны, нейтроны и все обычное вещество обречены. Если прождать достаточно долго, относительно слабый процесс, который нарушает закон сохранения барионного числа, в конце концов, непременно запустит механизм распада и разрушения всего обычного вещества. Однако из-за относительной неэффективности данного процесса эту часть истории можно отложить на довольно долгое время, возможно, триллион триллионов триллионов лет.

В самые первые мгновения истории космоса, задолго до того как Вселенной исполнилась одна микросекунда, начали происходить физические процессы, в которых не сохраняется барионное число. При высоких температурах этой эпохи данные процессы, нарушающие закон сохранения барионного числа, гораздо более эффективны, чем при низких температурах современной Вселенной. Последующие микроскопические реакции производят в некоторых областях Вселенной суммарный избыток кварков и, возможно, избыток антикварков в других вселенных. По мере расширения и охлаждения нашей Вселенной эти реакции прекращаются и родственные популяции кварков и антикварков становятся неизменными. Космос успешно достигает состояния бариогенеза — производства суммарного избытка вещества над антивеществом.

Предлагалось несколько различных моделей этого процесса, но они все еще находятся в процессе изучения. Несмотря на то, что это рассуждение несколько туманно, мы все же понимаем процесс бариогенеза хотя бы в общих чертах. Чтобы удержать механизм производства частиц от перехода на противоположное направление, в результате которого будут уничтожены избыточные кварки, эти реакции должны проходить в неравновесном состоянии, чтобы некоторые вновь образовавшиеся лишние кварки могли остаться нетронутыми. Расширение Вселенной облегчает неравновесный характер протекания реакций, обеспечивая постоянно изменяющееся фоновое состояние. Необходимо также и еще одно условие. Микроскопические реакции, образующие общее барионное число, в отличие от большинства процессов, задействующих элементарные частицы, не должны быть точно обратимы во времени. Эти реакции должны уметь чувствовать направление времени (или следовать ему), которое определяется расширяющейся Вселенной. Таким образом, чтобы образовался чистый избыток вещества, во Вселенной должны существовать реакции, нарушающие закон сохранения барионного числа, происходящие в неравновесном состоянии и необратимые во времени.

Избыточное число барионов, образовавшееся таким образом, до смешного мало. На каждые тридцать миллионов существовавших антикварков во Вселенной содержалось тридцать миллионов и один кварк обычного вещества. Именно этот феноменально малый избыток — одна частица на тридцать миллионов — жизненно важен. По мере расширения и охлаждения Вселенной кварки и антикварки аннигилируют друг с другом. И только лишние кварки — те, которым не удается найти антиматериальную пару для аннигиляции, — остаются, чтобы в конечном итоге заполнить нашу Вселенную веществом.

Когда Вселенная, наконец, становится достаточно прохладной, кварки объединяются в сложные частицы, называемые адронами; к ним относятся знакомые нам протоны и нейтроны. Этот фазовый переход происходит, когда Вселенная переживает температуру в один триллион градусов Кельвина и достигает плотности ядерного вещества, в один квадрильон раз превышающей плотность воды. Вот на этом фоне и рождаются протоны с нейтронами. Эти основные кирпичики, синтезированные в первую микросекунду истории, не только дожили до сегодняшнего дня, наступившего около десяти миллиардов лет спустя, но и будут жить еще долго-долго. Эти частицы проживут, как минимум, в десять миллиардов триллионов (1022) раз дольше современного возраста Вселенной, а возможно, даже еще дольше.

Темнота ночного неба

Конечный возраст, которым наделила Вселенную современная космология, разрешает одну классическую проблему: «Почему ночью небо темное?». Первым важность этого вопроса осознал, наверное, Иоганн Кеплер в 1600-е годы, хотя широкую известность эта проблема получила только в девятнадцатом веке, благодаря работе Г.В. Ольберса. В 1823 году Ольберс, немецкий астроном, представил труд, в котором впервые описал эту проблему, впоследствии получившую название парадокса Ольберса.

На первый взгляд, ответ кажется очевидным: ну, конечно, ночное небо темное! Как-никак Солнце не освещает небо по ночам. Однако если поразмыслить чуть дольше, понимаешь, что все не так просто. Рассмотрим портрет Вселенной девятнадцатого века: статическая, бесконечная Вселенная, демонстрирующая обычное трехмерное пространство евклидовой геометрии. А теперь представьте, что вы смотрите на ночное небо. Следуя по линии зрения в любом направлении, рано или поздно, вы должны наткнуться на поверхность звезды. Но звезды ярко светят. Значит, ночное небо должно светиться от лучистой энергии, испускаемой поверхностью звезд, ярких, как Солнце.

Можно подойти к этому вопросу и с другой стороны. В этой устаревшей модели Вселенной небо изобилует бесконечным количеством звезд. Чем дальше звезды находятся от Земли, тем более тусклыми они нам кажутся. Их излучение ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния (r2) между звездой и наблюдателем. Однако объем Вселенной, а следовательно, и общее количество звезд возрастает пропорционально кубу этого расстояния (г3). Даже несмотря на то, что с увеличением расстояния излучение звезд ослабевает, этот эффект компенсируется увеличением общего числа звезд. Если эта модель правильна, то ночное небо должно быть очень ярким.

Теперь мы знаем, что эта старомодная парадигма, описывающая бесконечную статическую Вселенную, попросту говоря, ошибочна. Вселенная, на самом деле, имеет конечный возраст и совсем не евклидову геометрию пространства-времени. Поскольку пока что прошло всего десять миллиардов лет, мы можем наблюдать только те звезды, которые находятся на большом, но все же строго конечном расстоянии в десять миллиардов световых лет. Видимая Вселенная содержит большое, но конечное число звезд: около одной тысячи миллиардов миллиардов (1021). Эти звезды вносят свой вклад в видимую яркость ночного неба, которое светится очень слабо. И все же ночное небо значительно темнее, чем поверхность звезды.

На темноту ночного неба влияет и расширение Вселенной. В силу того что пространство-время расширяется, удаленные звезды вносят меньший вклад в яркость неба, чем это предполагалось согласно предшествующему аргументу Евклида. Далекие звезды в удаленных галактиках уносятся от нас со скоростями, близкими к скорости света. Их свет, приходящий из самых отдаленных уголков видимой Вселенной, невероятно растягивается, вследствие чего снижается его интенсивность.