Книга Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Планковское время 5,4 × 10–44 с – это кратчайший период, который можно измерить, и самый ранний момент в истории Вселенной, о котором можно говорить. Как я уже рассказывал, наша Вселенная могла быть всего одним пузырьком (пятном) в инфлюирующей воронке, одной из ветвей в бесконечном фрактальном дереве Вселенных, слагающих Мультивселенную, которая может быть сколь угодно древней. Но я отсчитываю время с момента формирования нашего пузырька. В табл. 24.1 перечислено, что происходило в каждую эпоху.

По окончании инфляции (10–35 с) состояние вакуума, наполнявшее юную Вселенную высокоплотной темной энергией, распадается с образованием теплового излучения. Это излучение очень горячее, и в нем не только фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), но и кварки, антикварки, электроны, позитроны, мюоны, антимюоны, таоны (утяжеленный аналог мюона), антитаоны, нейтрино, антинейтрино, глюоны (переносчики сильного ядерного взаимодействия), X-бозоны (гипотетические частицы, существование которых предполагается в некоторых теориях; якобы они распадаются асимметрично и из-за этого в современной Вселенной вещества настолько больше, чем антивещества), W- и Z-частицы (переносчики слабого взаимодействия), бозоны Хиггса (это частица, связанная с полем Хиггса, которое наделяет частицы массой) и гравитоны (переносчики гравитационного поля – аналогичные фотонам, которые являются переносчиками электромагнитного поля). Если теория суперсимметрии верна, то для каждой из вышеперечисленных частиц должна существовать суперсимметричная частица-партнер.

Кратко расскажу о гравитонах. Эйнштейн обнаружил, что одним из решений общей теории относительности являются гравитационные волны, рябь в геометрической структуре пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света. Аналогично, Максвелл до него обнаружил, что электромагнитные волны, распространяющиеся в пустом пространстве со скоростью света, – это решение его уравнений поля в случае электромагнетизма. Косвенные подтверждения существования гравитационных волн (которые должны состоять из гравитонов) получены при наблюдениях двойного пульсара Тейлора и Халса, две компоненты которого движутся по все сильнее сжимающейся спиральной орбите. Именно это и прогнозировал Эйнштейн: гравитационные волны должны возникать при подобном вращении нейтронных звезд.

Таблица 24.1. Эпохи в истории Вселенной

14 сентября 2015 года в рамках эксперимента LIGO впервые удалось непосредственно обнаружить гравитационные волны. Лазерный интерферометр с исключительной точностью (до 1/1000 диаметра протона) измерил расстояние между парами зеркал и зафиксировал колебание расстояний между ними, обусловленное прохождением гравитационной волны. Как же примечательно, что гравитационные волны теоретически предсказал Эйнштейн, а открыты они были при помощи лазера – и принцип лазера тоже описал Эйнштейн. Источником этих гравитационных волн оказались две черные дыры, одна в 29 солнечных масс, другая в 36, по спирали сближавшиеся друг с другом и слившиеся с образованием новой черной дыры в 62 солнечные массы. Итак, гравитационные волны существуют, и результаты эксперимента согласуются с допущением, что гравитоны движутся со скоростью света. Поскольку гравитация так слаба, нам пока не удалось зафиксировать отдельный гравитон, но ожидается, что такие частицы должны существовать. Ведь гравитационные волны существуют, а они должны обладать корпускулярно-волновым дуализмом, точно так же, как электромагнитные волны и фотоны.

Эпоха, когда по Вселенной стремительно носились все эти частицы, называется кварковым бульоном. Кварки свободно перемещаются в пространстве, не объединяясь в крепкие тройки. Из-за принципа неопределенности в некоторых областях квантовое состояние вакуума распадается чуть раньше, в других – чуть позже, поэтому в тепловом излучении возникают случайные флуктуации.

Такие флуктуации плотности имеют место и на отметке около 10–35 секунд, когда заканчивается инфляция. Они дают начало сгусткам, которые под действием гравитации за следующие 13,8 миллиарда лет постепенно превратятся в галактики и грандиозные скопления галактик, наблюдаемые сегодня. Ячеистая структура распределения галактик, которую мы видим сейчас (рис. 15.4), в которой большие скопления галактик связаны нитями (или цепочками) галактик, называется космической паутиной. Эта паутина сравнима с (невероятно разбухшими) «ископаемыми остатками» тех самых квантовых флуктуаций, происходивших, когда Вселенной было всего 10–35 секунд[42].

По мере расширения Вселенной этот горячий суп остывает, и массивные частицы распадаются на более легкие. Исходно во Вселенной имелось равное количество вещества и антивещества, но считается, что из-за асимметричного распада тяжелых X-бозонов (в пользу вещества, а не антивещества) в продуктах распада вещества оказалось чуть больше, чем антивещества. По мере столкновения и аннигиляции частиц вещества и вещества (из них образовывались фотоны) во Вселенной осталось преимущественно обычное вещество. Галактики, наблюдаемые сегодня, сконденсировались из вещества. Частицы антивещества – редкость в современной Вселенной, они постоянно рискуют столкнуться с одной из многочисленных частиц вещества и аннигилировать. Сегодня частицы антивещества имеют безоговорчное численное превосходство над частицами антивещества.

К 10–6 секундам излучение остыло настолько, что кварки стали связываться друг с другом, образуя протоны и нейтроны. Существует шесть разных ароматов кварков: верхние (u), нижние (d), странные (s), очарованные (c), прелестные (b) и истинные (t)[43]. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего; они удерживаются вместе, обмениваясь тремя глюонами. (Тут есть мнемоническое правило: в нейтроне больше нижних кварков, и слова «нейтрон» и «нижний» начинаются с «н»; в протоне же больше верхних кварков, и слова «протон» и «верхний» содержат в первом слоге букву «р» – латинскую «p».) Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, они также удерживаются вместе тремя глюонами. Верхний кварк имеет электрический заряд +2/3, а нижний – заряд –1/3. Таким образом, электрический заряд протона равен +1, а нейтрон нейтрален, его заряд 0.

На отметке 3 минуты начинается синтез гелия, рассмотренный в главе 15. Вселенная уже остыла настолько, что протоны могут сцепляться с нейтронами и образовывать легкие элементы. Наиболее легкий из распространенных элементов – это водород (протон), но кроме того, синтезируется заметное количество гелия, а также небольшие количества дейтерия и лития. Исследуя именно эту эпоху, Гамов и его ученики спрогнозировали существование РИ.