Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

выбор. Сначала они должны спросить себя: «Какая из этих идей более правдоподобна?» Чтобы теория инфляции оказалась верной, нам придётся привлечь совершенно неизвестную силу, новую частицу – инфлатон, которая появляется, в корне меняет природу Вселенной и мгновенно исчезает. При этом процесс охлаждения нагретой до сверхвысоких температур первоначальной Вселенной может быть связан с очень сложной физикой, что опять-таки больше похоже на фантазии, чем на науку.

С другой стороны, если принять версию «Вселенная просто такой родилась», придётся представить, что процесс, в ходе которого она начала существовать, каким-то образом обеспечил абсолютную идентичность условий во всех её точках: в точности одинаковую плотность и температуру, в точности одинаковые составляющие частиц и излучения, в точности одну и ту же скорость расширения, однородного во всех направлениях. Как мы уже говорили, учёным очень не по нраву возможность такой «тонкой настройки» Вселенной, ведь малые различия или флюктуации свойств между различными точками пространства выглядят неизбежными. Но, по правде сказать, у нас нет никакого реального представления о том, как рождалась Вселенная и какой физический механизм определил её свойства. Кто знает, может быть, этот космологический акт рождения и стал тем единственным случаем, в котором идеал был достигнут?

Как могут учёные судить о правоте той или иной теории? Для этого нужно всё больше наблюдательных доказательств, которые могут помочь провести различие между двумя идеями. Астрономы сейчас охотятся за одной из таких неопровержимых улик, которые доказали бы, что инфляция и есть причина однородности Вселенной, – за гравитационными волнами, отпечатавшимися в её пространстве. Если инфляционная модель действительно даёт верное описание самой ранней фазы Вселенной, это свидетельство может быть получено всего через несколько лет.

Прежде чем мы закончим… помните малые квантовые флюктуации, которые происходили перед началом инфляции? Они ведь тоже должны были раздуться в масштабах в эпоху быстрого расширения. И, если теория инфляции верна, информация о них записалась в распределении вещества в постинфляционной Вселенной – в виде ряби, наложившейся на распределение плотности идеально однородного космоса. Именно эти малые отклонения плотности, в пропорции 1:10000, и стали семенами, которые позволили гравитации сделать своё дело и стянуть вещество в галактики, звёзды и планеты, окружающие нас сейчас.

Без этих семян ничего бы не было – ни вас, ни меня, ни Земли, ни Солнца, ни Млечного Пути. Мы обязаны своим существованием действию кванта.

Откуда во Вселенной вещество?

Присутствие вещества во Вселенной очевидно. Его много! Оно заключено в звёздах, планетах и камнях, рассеянных между ними. Колоссальное количество вещества распределено между звёздами и галактиками в виде газа – он рассеян по всей Вселенной. Вещество есть повсюду, как бы далеко мы ни заглядывали. Но почему оно здесь? Почему вообще во Вселенной есть вещество?

Вопрос может показаться праздным, бессмысленным. Это же просто очевидно! Не будь во Вселенной вещества, некому было бы и спрашивать. Но для нашего понимания фундаментального устройства Вселенной это – огромная нерешённая проблема. Чтобы понять, почему вещество есть, мы должны задуматься об условиях во Вселенной сразу после её взрывного расширения в ходе инфляции.

Когда инфляция закончилась, её энергия распространилась по Вселенной, вошла в частицы и в излучение, которые составляют основной строительный материал всей материи вокруг нас. Но температуры в то время были так высоки, что нормального, повседневно окружающего нас и знакомого нам вещества не существовало. Были только его фундаментальные кирпичики: кварки, электроны и сверхгорячие фотоны. Наши физические законы, насколько мы можем о них судить, говорят, что этот огненный суп был сбалансированной смесью материи и антиматерии. Наряду с электронами там были их положительно заряженные антидвойники – позитроны.

Существование антивещества предсказал в 1920-х физик-теоретик Поль Дирак.[25] На самом деле, он пытался объединить квантовую механику с эйнштейновской частной теорией относительности, чтобы понять свойства электрона. Однако его уравнения дали два решения: одно с отрицательным зарядом – оно, как он знал, представляло электрон – и ещё одно, идентичное первому, но с положительным зарядом, представившее частицу-двойник. Дирак не вполне понимал, что делать с этим решением, раздумывал, не включил ли случайно в свои уравнения значительно более тяжёлый протон, самую известную положительно заряженную частицу. Но вскоре после этого положительно заряженные электроны, известные теперь как позитроны, были зарегистрированы в экспериментах, и научное сообщество осознало, что у каждой частицы вещества имеется двойник – частица антивещества.

Вещество первоначальной Вселенной состояло из других частиц – кварков (забавное название!) и их античастиц-эквивалентов.[26] Как и электроны, кварки – фундаментальные частицы: их нельзя расщепить на меньшие куски. Но кварки не так знамениты: в отличие от электронов, которые существуют сами по себе, они всегда находятся в связанном состоянии в других частицах. Из них в первую очередь состоят протоны и нейтроны, из которых формируются ядра атомов.

В «супе» из фундаментальных частиц могут происходить интересные вещи. Электроны сталкиваются с позитронами и полностью аннигилируют, создавая вместо себя два фотона излучения. То же самое происходит и с кварками, которые сталкиваются с антикварками: аннигиляция и создание новых фотонов.

Верно и обратное: два сталкивающихся фотона могут создать электронно-позитронную пару или пару кварк-антикварк. А так как энергии очень много, ситуация остаётся равновесной: аннигилирует и превращается в фотоны столько же электрон-позитронных пар, сколько пар фотонов образует электроны и позитроны.

Не забудем, однако, о том, что в этот момент своей истории Вселенная по-прежнему расширялась и охлаждалась. Расширение непрерывно отбирало у фотонов их энергию, и их длины волн по мере старения Вселенной всё увеличивались. Что же творилось со всей материей?

Интересные вещи начали происходить, когда Вселенной было около 10–11 секунд, намного позже, чем закончился период инфляции. По окончании её Вселенная была залита энергией, точнее, «супом» из вещества, антивещества и высокоэнергетического излучения. Но к этому времени фотоны в сверхгорячем «супе» больше не обладали энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновениях создавались частицы. Поэтому равновесие Вселенной нарушилось. Больше не создавалось ни пар «электрон-позитрон», ни пар «кварк-антикварк». Но в смеси ещё оставались частицы как вещества, так и антивещества, и они по-прежнему могли сталкиваться, аннигилировать и создавать фотоны. Очень скоро все электроны столкнулись с позитронами и во мгновение ока преобразовались в фотоны. Пары кварк-антикварк так же быстро аннигилировали и дали ещё больше фотонов. Таким образом, как только Вселенная миновала критическую точку охлаждения, всё вещество уже оказалось преобразованным в излучение, и больше частиц во Вселенной не оставалось. После этого вещество во Вселенной и не должно было появляться.

Ясно, что это совсем не та Вселенная, в которой мы живём. В нашей вещество преобладает, а антивещество, похоже, встречается крайне редко. Оно иногда выделяется из радиоактивных материалов, образуется в экспериментах с