Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Мы пишем эту книгу в самом конце двадцатого века — подходящее время, чтобы поразмыслить над нашим местом во Вселенной. Благодаря обширности понимания, обретенного в этом веке, мы можем, как никогда ранее внимательно, посмотреть на свое положение во времени и пространстве. В соответствии с временным принципом Коперника и широчайшим диапазоном астрофизических событий, которые еще только произойдут в необъятном будущем, мы утверждаем, что на момент завершения этого тысячелетия конец Вселенной не очень близок. Вооружившись четырьмя силами природы, четырьмя астрономическими окнами, чтобы обозревать Вселенную, и новым календарем, измеряющим время в космологических декадах, мы отправляемся в наше странствие по пяти великим эпохам времени.

Глава 1

Первичная эпоха

— 50 < η < 5

Сильнейший взрыв становится отправной точкой эволюционного путешествия Вселенной в будущее.

До начала, за горизонтом:

Царит хаос. Основная структура пространства-времени неистовствует. Вместо того чтобы проявлять привычные три измерения обычного пространства с естественным, однонаправленным течением времени, пространство-время напоминает взболтанную, беспорядочную и флуктуирующую пену, беспрерывно изменяющую свою геометрию каждые 10-43 секунды. Любое четкое разделение пространства и времени не имеет ни малейшего смысла в этом состоянии физической реальности с ультра высокими энергиями. Квантовая механика и гравитация вступили в космическую битву, исход которой будет иметь важные последствия для всей Вселенной.

Из этой вероятностной пены извергаются горячие пузыри микроскопического пространства-времени. Большинству из них суждено расшириться, а затем пережить повторное сжатий, вернувшись в аморфную пену, за непостижимо короткие промежутки времени. Время от времени, при возникновении нужных условий, извергающийся участок пространства-времени переходит в состояние фантастически быстрого расширения. Последующий экспоненциальный рост настолько силен, что смежные точки пространства разбегаются друг от друга со скоростями, превышающими скорость света. Эта алогичная активность увеличивает размер расширяющегося участка на чрезвычайно большую величину за невероятно короткий промежуток времени.

После этой стремительной эпохи сверхъяркого расширения раздутый участок пространства-времени простирается далеко за пределы исходной фоновой пены, вследствие чего полностью от нее отделяется. Однажды вступив на этот путь, вновь отделившийся участок может расширяться вечно, хотя и не так быстро. Этот участок разрастается до непостижимо огромных размеров за бесконечно долгие промежутки времени, которые ожидают его впереди. Так начинается длинный и мучительный путь новорожденной Вселенной к смерти.

Важным достижением современной науки является создание теории возникновения Вселенной. Вселенная родилась во взрыве, который произошел в четко определенный момент времени, и расширилась, превратившись в нашу современную Вселенную. Благодаря появлению теории Большого взрыва, многие вопросы, связанные с рождением Вселенной, которые когда-то относили к области философии или метафизики, теперь получили четкие и подробные ответы. Момент творения поставили на прочную научную основу, освободили от пустых гипотез и во многих отношениях подтвердили с помощью экспериментов и наблюдений.

Только представьте себе, как здорово было бы воочию увидеть начало времени. Если бы мы могли испытать эти первые определяющие мгновения, если бы мы могли наблюдать микроскопические события, происходящие с невероятной скоростью, что именно мы увидели бы? Возобновим же наше повествование с момента начала существования Вселенной. Сначала мы заметили бы, что Вселенная расширяется и остывает с фантастической скоростью. В первые 10-35 секунд или около того Вселенная расширяется настолько быстро, что смежные точки пространства разбегаются друг от друга с непостижимыми скоростями. В этот краткий промежуток алогичного поведения область Вселенной размером с маленькую точку () раздувается, становясь больше всей видимой современной Вселенной. Вскоре расширение замедляется до более разумных скоростей, не превышающих скорость света, но все же не прекращается.

Кроме того, мы увидели бы, что ранняя Вселенная очень горяча и очень ярка. При таких громадных температурах, намного превышающих температуры центральных областей любой звезды, вещество очень сильно отличается от того, с которым мы привыкли иметь дело в повседневной жизни. На Земле обычное вещество состоит из атомов, каждый из которых образован несколькими электронами, вращающимися по орбите вокруг ядра, содержащего протоны и нейтроны. В исключительной жаре первых микросекунд температура слишком высока, чтобы могли существовать молекулы, атомы или ядра. Такой температуры не выдерживают даже протоны и нейтроны. Вселенная кишит таинственными элементарными частицами, которые носят название кварков.

В обычных условиях мы полагаем, что вещество составляет все сущее во Вселенной. Сейчас, например, большая доля массы-энергии Вселенной содержится в веществе галактик и лишь очень малая ее часть рассеяна в межгалактическом пространстве. Однако в самые ранние мгновения истории, когда вещество было разбито на основные составляющие его частицы, Вселенная имела очень любопытный аспект. Частицы вещества составляли лишь крошечную долю общей плотности энергии Вселенной. Основная часть плотности энергии содержалась в фоновом излучении, и Вселенная напоминала чрезвычайно горячую печь — первичную домну.

Излучение, существовавшее в самом начале, остается с нами по сей день. Оно образует море протонов, которое заполняет все космическое пространство и называется космическим фоновым излучением[2]. Сегодня это фоновое излучение содержит гораздо меньше энергии, чем в отдаленном прошлом. Его фактическая температура упала до холода в 2,7 градусов выше абсолютного нуля. Однако в самые первые мгновения это фоновое излучение было крайне ярким и горячим. Впоследствии из-за расширения Вселенной некогда сильный фоновый свет был растянут до миллиметровых микроволн. Домна прошлого превратилась в низкоэнергетическую микроволновку.

Когда Вселенной всего одна микросекунда, мы погружены в необъятное море излучения с относительно малой примесью кварков и других частиц. Кварки состоят как из обычного вещества, так и из антивещества, с небольшим избытком первого. На каждые тридцать миллионов кварков, состоящих из антивещества, в запасе Вселенной имеется тридцать миллионов и один кварк, состоящих из вещества. По мере развития и охлаждения Вселенной кварки и антикварки аннигилируют друг с другом. По завершении этого процесса остается лишь крошечная доля избыточного вещества. Этот, на первый взгляд, незначительный остаток, в конечном итоге, образует все вещество, которое мы видим во Вселенной сегодня: галактики, звезды, планеты, тебя, читатель, и меня.

По мере аннигиляции кварков и антикварков оставшиеся кварки начинают собираться в протоны и нейтроны. По прошествии примерно тридцати микросекунд свободных кварков уже не остается. В силу того что во Вселенной все еще безраздельно царит излучение (фотоны), а не материальные частицы, это изменение в реестре ее частиц вряд ли хоть сколько-нибудь ее беспокоит, и расширение неумолимо продолжается.

Далее, по мере того как Вселенная продолжает остывать, протоны и нейтроны начинают сливаться, образуя ядра гелия и других легких элементов. Этот процесс начинается, когда Вселенной исполняется около одной секунды, и довольно резко прекращается через несколько минут. Большая часть существующего сегодня гелия образовалась в этой ранней вспышке ядерной активности. Более тяжелые ядра, например, углерода и кислорода — элементов, обеспечивающих сырье для жизни, — пока что образоваться не могут. Вселенная расширяется слишком быстро, чтобы большие ядра могли объединиться. Для этого у них слишком мало времени, да и плотность Вселенной недостаточно высока. Тяжелые элементы образуются гораздо позднее в плотных центрах звезд и во вспышках сверхновых, отмечающих гибель массивных звезд.

После образования легких элементов содержимое Вселенной претерпевает значительные перемены. Это пополнение запасов реестра частиц — второе такое событие за первые несколько минут существования времени. Излучение продолжает господствовать во Вселенной, будучи основной ее составляющей. А расширение продолжается.

Инфляция

Как мы уже отмечали, в самые первые мгновения истории космоса Вселенная вступила в короткую, но напряженную фазу невероятно быстрого расширения. По окончании этого периода расширения, происходившего со скоростями, превышающими скорость света, размер Вселенной увеличился в огромное число раз: возможно, в миллион триллионов триллионов (1030). По завершении этой, хотя и короткой, но изменившей Вселенную, эпохи космос немного успокоился, перейдя в состояние более монотонного расширения. Как и почему произошла эта инфляция?