Книга Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Деграсс Тайсон

Самая известная форма энергии – это фотон, неделимая частица света, лишенная массы. В фотонах мы просто-таки купаемся – к нам долетают фотоны и с Солнца, Луны и звезд, и от газовой плиты, торшера и ночника. Почему же мы не сталкиваемся с E = mc² ежедневно, на личном опыте? Энергия фотонов видимого света несравнимо меньше, чем энергия субатомных частиц с самой маленькой массой. Фотон не может ни во что превратиться, поэтому жизнь его течет счастливо, почти без потрясений.

Хотите приключений? Заведите себе компанию фотонов из гамма-лучей, у которых энергия уже нешуточная, по крайней мере в 200 000 раз больше, чем у видимых фотонов. Правда, вы довольно скоро заболеете раком и умрете, зато успеете увидеть, как везде, где пробегали эти фотоны, возникают пары электронов и позитронов – частица со своей античастицей, одна из множества сладких парочек в субатомном мире. На ваших глазах эти электроны из царства вещества и антивещества будут сталкиваться, аннигилировать и снова создавать гамма-фотоны. Увеличьте энергию света еще в 2000 раз, и вот уже получились гамма-лучи, энергии которых хватит, чтобы превратить впечатлительного человека в Халка. Однако теперь у пар этих фотонов хватает энергии и на то, чтобы спонтанно создавать более массивные нейтроны, протоны и их античастицы.

Высокоэнергичные фотоны где попало не слоняются. Однако места их обитания лежат вовсе не в воображаемом мире. Гамма-лучам подходит любая обстановка, лишь бы температура там была выше нескольких миллиардов градусов.

То, что частицы и их энергетические запасы превращаются друг в друга, играет в космологии определяющую роль. В настоящее время температура расширяющейся Вселенной, вычисленная по наблюдениям микроволнового излучения, заполняющего все космическое пространство, составляет всего 2,73 градуса по Кельвину. Микроволновые фотоны, как и фотоны видимого света, недостаточно горячи и поэтому не могут претендовать на то, чтобы превратиться в частицу по закону E = mc²; строго говоря, мы еще не знаем ни одной частицы, в которую они способны спонтанно превратиться. Однако еще вчера Вселенная была чуть меньше и чуть теплее. А позавчера – еще меньше и еще теплее. Прокрутите стрелки часов еще немного назад, скажем, на 13,7 миллиарда лет, и попадете прямиком в первобытный бульон Большого Взрыва, во времена, когда фоновая температура космоса была так высока, что представляла интерес для астрофизики.

То, как вели себя пространство, время, вещество и энергия по мере расширения и остывания Вселенной с самого ее начала – величайший эпос на свете. Однако, чтобы объяснить, что же происходило в этом космическом горниле, надо найти способ соединить четыре фундаментальные силы Вселенной в одну, а также способ примирить друг с другом две несовместимые области физики – квантовую механику (науку о малом) и общую теорию относительности (науку о большом).

Воодушевленные счастливым союзом квантовой механики и электромагнетизма, заключенным в середине XX века, физики наперегонки стремились наладить отношения между квантовой механикой и общей теорией относительности – создать теорию квантовой гравитации. До финишной прямой мы пока не добрались, зато точно знаем, где стоят барьеры: они находятся на границе «Планковской эпохи». Это фаза развития Вселенной с момента рождения до возраста 1043 секунд и до того, как Вселенная достигла размера 1035 метров в поперечнике. Немецкий физик Макс Планк, в честь которого и названы эти невообразимо малые величины, для которых даже нет подходящих числительных, в 1900 году ввел понятие кванта энергии и в целом считается отцом квантовой механики.

Однако тревожиться не о чем. Плохие отношения между гравитацией и квантовой механикой не сулят современной Вселенной особых сложностей. Астрофизики применяют принципы и инструментарий общей теории относительности и квантовой механики к совершенно разным классам задач. Однако в самом начале, в Планковскую эпоху, большое было малым, а следовательно, гравитация с квантовой механикой, по всей видимости, состояли тогда в близких, страстных, но недолговечных отношениях. Увы, мы до сих пор так и не узнали, какими клятвами обменялись они у алтаря, и поэтому нам не удается сколько-нибудь достоверно описать поведение Вселенной во время этого краткого междуцарствия с помощью каких бы то ни было законов физики (из числа нам известных).

Однако к концу Планковской эры гравитация высвободилась из объятий других сил природы, по-прежнему объединенных, и добилась независимости, которую прекрасно описывают современные теории. Перевалив за рубеж 1035 секунды, Вселенная продолжила расширяться и остывать, и объединенные силы раскололись на электрослабое и сильное ядерное взаимодействие. А еще позднее электрослабое взаимодействие раскололось на электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие, и так мы и получили четыре отдельные силы, которые знаем и любим: слабое взаимодействие контролирует радиоактивный распад, сильное взаимодействие связывает частицы в ядре атома, электромагнитное взаимодействие связывает атомы и молекулы, а гравитация – большие «куски» вещества. К этому времени Вселенной исполнилось всего одна триллионная секунды. Однако таинственные превращения сил и другие основополагающие события в жизни Вселенной уже снабдили ее фундаментальными качествами, каждое из которых достойно отдельной книги.

Пока Вселенная разменивала свою первую триллионную секунды, вещество с энергией находились в постоянном взаимодействии. Незадолго до этого, пока расставались сильное и электрослабое взаимодействие и сразу после, Вселенная представляла собой бурлящий океан кварков, лептонов, их антисобратьев, а также бозонов – частиц, которые обеспечивали их взаимодействие. Считается, что ни одно из этих семейств частиц не делится на что-либо меньшее и более элементарное. Хотя все эти частицы фундаментальны, у каждой есть несколько видов. Заурядный фотон видимого света – член семейства бозонов. Из лептонов лучше всех знакомы непосвященным электроны и, наверное, нейтрино, а из кварков… Увы, знакомых кварков у нас нет. Каждому подвиду кварков дано абстрактное название, не служащее никаким филологическим, философским и педагогическим целям – оно нужно лишь для того, чтобы различать их: верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный.

Кстати, бозоны получили название просто-напросто в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе. Слово «лептон» образовано от греческого «leptos» – «легкий» или «маленький». А вот у самого слова «кварк» происхождение сугубо литературное и гораздо более причудливое. Физик Мюррей Гелл-Манн, в 1964 году предположивший существование кварков, считал, что в их семействе всего три члена, и позаимствовал название из загадочной фразы из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для Мастера Марка!» У кварков есть одно несомненное преимущество – все их названия просты, чего никогда не удается добиться химикам, биологам и геологам, когда они выдумывают названия объектам своих исследований.

Кварки – те еще фрукты. В отличие от протонов, каждый из которых несет электрический заряд +1, и электронов, у которых заряд −1, у кварков заряды дробные – одна или две трети. И поймать один обособленный кварк невозможно, он всегда соединен с соседними кварками. Сила, которая скрепляет два и больше кварков вместе, растет пропорционально усилию их разделить, как будто они соединены какой-то субатомной резинкой. Если все же растащить кварки друг от друга, резинка лопается, и высвободившийся запас энергии зовет на помощь E = mc², отчего на каждом конце создается по новому кварку, а вы возвращаетесь в исходную точку. Но в кварк-лептонную эпоху плотность Вселенной была так велика, что расстояние между несвязанными кварками было сопоставимо с расстоянием между связанными кварками. При таких условиях невозможно было создать надежные узы между соседними кварками, и они двигались сами по себе, хотя коллективно были связаны друг с другом. Такое состояние вещества – своего рода кварковый суп – открыли в 2002 году ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории. Есть надежные теоретические данные, из которых следует, что на самом раннем этапе существования Вселенной, возможно, во время разделения каких-то взаимодействий, произошло некое событие, в результате которого во Вселенной наблюдается примечательная асимметрия: частиц вещества стало попросту больше, чем частиц антивещества, в пропорции миллиард и одна к миллиарду. В суматохе непрерывного создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (более известных как позитроны), нейтрино и антинейтрино этот небольшой дисбаланс в популяции никто и не заметил. У «лишних людей» все равно была масса возможностей найти себе партнера по аннигиляции, как и у всех прочих.