13,7 миллиарда лет назад посреди абсолютного ничто взорвалась крошечная точка, из которой за доли секунды возникли пространство, материя, физические силы и законы. Через 100 миллионов лет после Большого взрыва из облаков водорода и гелия родились первые звезды. А еще через 400 миллионов они объединились в галактики.
Вселенная — необъятное пространство, заполненное неисчислимыми космическими телами. Таинственная громада, лежащая за гранью человеческого воображения. Одно лишь расстояние от Земли до Солнца — 150 миллионов километров. До второй ближайшей к нам звезды Проксима Центавра — целых 40 триллионов километров. А вся наша галактика Млечный Путь настолько огромна, что луч света доходит от одного ее края до другого лишь за 100 тысяч лет.
И при этом Млечный Путь — всего лишь песчинка в просторах Вселенной. Один из 100 миллиардов звездных архипелагов, мерцающих в бескрайнем океане тьмы. В его глубинах пылают триллиарды солнц. Вращаются по своим орбитам бесчисленные планеты и их спутники. Летят мириады комет и астероидов. Клубятся гигантские облака газа. Зияют черные дыры, жадно поглощающие из окружающего пространства энергию, материю и даже свет.
Все эти космические тела, по подсчетам астрономов, парят в пространстве диаметром 900 триллиардов километров. И весят 1053 килограммов — это единица с 53 нулями.
Нечеловеческие масштабы. И тем не менее люди решаются искать ответ на «детский» вопрос: откуда все взялось — материя, энергия, пространство? Как возникла Вселенная? Существует ли она вечно, в неизменном виде? Или у нее есть начало, прошлое, история?
Наука давно пытается раскрыть тайну происхождения космоса. Сотни лет астрономы вглядываются в ночное небо, замеряют с помощью телескопов расстояние между звездами, рассчитывают скорость и траекторию движения галактик. Сверхчувствительные современные телескопы регистрируют малейшие следы фонового электромагнитного излучения, сохранившегося с самых ранних стадий развития Вселенной.
Ученых интересует не только эволюция звезд и галактик. Проблема глубже: вообще что такое материя? Из каких элементов она состоит? Как они возникли и какие силы действуют на них? Ответить на эти вопросы должны гигантские дорогостоящие ускорители типа Большого адронного коллайдера. В них физики разгоняют почти до скорости света элементарные частицы размером меньше атома и сталкивают их с такой силой, что те рассыпаются на базовые «кирпичики» материи.
Благодаря наблюдениям, расчетам и экспериментам поколения ученых накопили большой массив знаний. И теперь могут не только заглянуть далеко в прошлое Вселенной, но и поразительно точно реконструировать ее эволюцию от рождения до наших дней.
Наш мир не всегда был таким, как сейчас. Вот уже миллиарды лет галактики разлетаются в пространстве. Вселенная расширяется. А значит, когда-то она была не такой большой. И даже меньше, чем можно себе представить. Весь космос умещался в одной крошечной точке.
У мира тоже есть точная дата рождения и биография. Начинается она 13,7 миллиарда лет назад с гигантского выброса энергии — Большого взрыва.
История рождения Вселенной — реальность, которая превосходит любую фантастику и с трудом поддается описанию.
Самая важная ее часть занимает невероятно короткий период времени. Трудно поверить, но почти весь «строительный материал» нашего мира (включая излучение и частицы материи) возник в считанные мгновения. Вот почему астрофизики стараются подобраться как можно ближе к точке зарождения Вселенной. Благодаря математическим расчетам уже удалось реконструировать, что происходило в первые дни, часы, минуты. И даже в первые доли секунды от начала времен.
Но интрига сохраняется. Самый первый момент зарождения Вселенной от нуля до 0,0000000000000000000000000000000000000000001 секунды (10 в -43 степени) до сих пор не поддается математической реконструкции. О «начале начал» можно лишь строить предположения. Или мистические домыслы.
Этот загадочный период в истории нашего мира астрофизики называют Планковской эрой в честь немецкого физика Макса Планка, который в начале XX века создал квантовую теорию, описывающую свойства мельчайших частиц материи — квантов.
Представить точную характеристику и хронологию процессов, происходивших в первое мгновение после Большого взрыва, невозможно. Но недостатка в гипотезах нет.
В одном космологи уверены почти на сто процентов: в тот момент наша Вселенная была крошечной точкой диаметром менее 10 в -32 степени сантиметров. А это практически ничто.
Частица такого размера была бы неразличима даже под самым мощным современным микроскопом. Несколько миллиардов ее копий могли бы уместиться в ядре одного-единственного атома.
В этом невероятно тесном пространстве установились чудовищные условия: экстремальное давление и сверхвысокая температура — более 1032 градусов.
Еще нет ни атомов, ни электронов, ни света. Излучение пока не отделилось от материи. Они слиты воедино. В этом плотном сгустке энергии роятся неизвестные науке экзотические частицы.
В новорожденном космосе все подчинено единственной силе — протоэнергии. Она одна управляет движением и взаимодействием частиц. Заставляет их взаимно притягиваться, отталкиваться и отскакивать друг от друга.
Для наглядности космологи сравнивают эту горячую единую среду со сверхплотной бурлящей пеной, в которой постоянно надуваются и лопаются пузыри.
Эта космическая пена изменчива и неоднородна. А значит — нестабильна.
В какой-то момент спонтанный скачок энергии — внезапно раздувшийся пузырь — вызывает гигантский взрыв. И это событие предопределяет дальнейшее развитие Вселенной.
Она молниеносно расширяется, многократно увеличиваясь в размерах.
Этот необычный взрыв не похож на детонацию бомбы. У него нет очага, из которого распространяется взрывная волна. Вселенная взрывается целиком, одновременно раздуваясь в каждой точке.
Но раздувается не как воздушный шарик. У нее нет оболочки. И отсутствует пространство, которое она может заполнить. Вокруг нее нет даже пустоты. Лишь абсолютное ничто.
Расширяясь, пространство само создает пространство. Представить себе такое почти невозможно. А потому остается только принять как данность.
Понятнее другое: из-за растяжения пространства температура во Вселенной снижается. Действие этого фундаментального физического закона можно наблюдать и сейчас. Когда газ вытекает из баллона, где хранится в сжатом виде, он расширяется, затрачивая на это внутреннюю энергию. И в результате охлаждается.
Охлаждение станет одним из главных факторов эволюции Вселенной. Снижение температуры влечет за собой трансформацию энергии и частиц материи. Застывая, мир мало-помалу приобретает устойчивую форму.
Этот процесс похож на замерзание воды. В жидком виде ее молекулы беспорядочно роятся. При охлаждении некоторые из них переходят в другое агрегатное состояние. Образуют крошечные кристаллы льда — геометрически упорядоченные структуры. Вода переходит в новую твердую фазу.
В ранней Вселенной эффект «фазовых переходов» становится ощутимым сразу после завершения Планковской эры. Сначала от протоэнергии отделяется гравитация. Многие физики называют этот процесс «вымораживанием» силы тяжести. Хотя на тот момент космос все еще остается чудовищным пеклом.
Гравитация — та сила, которая заставляет два тела, обладающих массой, притягиваться друг к другу. Именно благодаря ей планеты вращаются вокруг звезд. Она стягивает вещество новорожденного мира, тем самым тормозя его разлет. Но ей не хватает мощности, чтобы сдержать его расширение. Оно продолжает разрастаться, увеличиваясь в десятки и сотни раз менее чем за триллионную часть триллионной доли секунды.
Затем — следующая стадия развития. И вновь — нечто невообразимое.
Оставшаяся протоэнергия разделяется еще на две силы. Возникает мощное ядерное взаимодействие, которое впоследствии свяжет частицы в атомные ядра. И электрослабое взаимодействие — предтеча светового излучения, электричества и радиоактивности.
Все это сопровождается колоссальными выбросами энергии. Она материализуется в форме необычных частиц — «инфлатонов» (от латинского «инфляция» — «раздувание»), которые мгновенно заполняют раннюю Вселенную.
У инфлатонов есть одна уникальная особенность. Под действием гравитации они, в отличие от других частиц, не притягиваются, а отталкиваются друг от друга.
После их появления сила тяжести, вместо того чтобы тормозить расширение пространства, ускоряет данный процесс.
Вселенная и до того росла стремительными темпами. Но теперь это происходит быстрее скорости света. За мгновение крошечная точка достигает размеров гимнастического мяча диаметром 35 сантиметров. С момента Большого взрыва прошло всего 10 в -36 степени секунд.
Ученые называют эту фазу «инфляционным расширением». Никогда больше Вселенная не будет расти так быстро. Для сравнения: если бы булавочная головка увеличивалась с такой же скоростью, то в мгновение ока стала бы в тысячу раз больше нынешней Вселенной.
Но нет ли тут противоречия с теорией относительности, согласно которой ничто в мире не может двигаться быстрее света? Нет. Постулат Эйнштейна распространяется только на частицы и световые волны, перемещающиеся в пространстве. А не на движение самого пространства.
Инфляционное расширение тоже продолжается недолго. Оно влечет за собой дополнительное охлаждение, которое вызывает очередную волну трансформации вещества Вселенной. Заряженные энергией инфлатоны распадаются на множество элементарных частиц. В этом «зоопарке» частиц есть предшественники фотонов, из которых сейчас состоят солнечный свет, рентгеновское излучение, радиоволны и микроволны. У фотонов нет ни массы, ни заряда, ни материальной субстанции. Это просто кванты излучения, способные существовать только двигаясь со скоростью света.
Но среди новых обитателей растущего космоса появляются (и существуют до сих пор) материальные частицы с массой:
- кварки, из которых позже сформируются элементы атомного ядра;
- электроны, отрицательно заряженные частицы, которые будут вращаться вокруг ядер атомов;
- и нейтрино, сверхлегкие и трудноуловимые частицы с нулевым зарядом, практически не взаимодействующие с остальной материей.
У каждой такой частицы есть античастица, возникающая одновременно с ней. У нее аналогичная масса, но противоположный заряд. Вместе с каждым отрицательно заряженным электроном словно ниоткуда возникает его антипод — положительно заряженный позитрон.
Каждому кварку тоже соответствует антикварк с противоположным зарядом. Весь космос наполнен парами противоположностей.
Одновременно с миром рождается антимир, с материей — антиматерия.
Вселенная по-прежнему наполнена раскаленной плазмой из роящихся частиц. Они постоянно сталкиваются друг с другом, разлетаются от ударов в разные стороны, хаотично меняют направление движения.
В этой беспорядочной гуще смешано все — рождение и гибель, частицы и античастицы. Их столкновение заканчивается взаимоуничтожением — аннигиляцией. Они рассеиваются на частицы — предшественницы фотонов. Материя распыляется в энергию.
Предтечи фотонов тоже сталкиваются друг с другом, превращаясь в кварки, антикварки, нейтрино и электроны. И энергия вновь материализуется в форме частиц.
Этому бурлящему месиву из элементарных частиц суждено сыграть решающую роль в судьбе космоса. Ведь частицы и античастицы, в отличие от инфлатонов, взаимно притягиваются под действием гравитации.
Вселенная продолжает стремительно расти. Но по сравнению с инфляционной фазой темпы ее расширения существенно снижаются.
Она раздувается до 100 метров в диаметре. Потом — до 100 километров. Вскоре достигает размеров Луны, затем Земли. А через мгновение — Солнца. И с каждым разом становится все холоднее и холоднее. В возрасте одной десятимиллиардной доли секунды она размером почти с нашу Солнечную систему.
Температура упала на 17 нулей — до 10 в 15 степени градусов. И хотя это в сотни миллионов раз горячее солнечного ядра, такого снижения температуры вполне достаточно для еще одного, последнего «раздвоения» энергии. В это мгновение электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие.
Пока что они не оказывают ощутимого влияния на эволюцию Вселенной. Но теперь окончательно выделились все четыре фундаментальные силы, которые и сейчас, спустя 13,7 миллиарда лет после Большого взрыва, властвуют над миром.
Вселенная мало-помалу обретает форму. Она наполнена светлой плазмой, похожей на куриный бульон. Если бы в ней оказался наблюдатель, он ничего не смог бы разглядеть даже на расстоянии миллиметра.
Причина в том, что из-за столкновения с другими частицами носители света фотоны постоянно меняют траекторию движения. Вселенная непроницаема для света, подобно густому туману, в котором взвешенные в воздухе капли воды рассеивают солнечные лучи.
Еще через одну стотысячную долю секунды температура этого «бульона» опускается до двух триллионов градусов. Образуются новые структуры. Из-за остывания Вселенной кварки теряют энергию и начинают двигаться медленнее. При сближении они объединяются в тройки.
Их связывает сильное ядерное взаимодействие. Переносчиками энергии служат глюоны (от английского «глю» — «клей»). Эти частицы-посредники, не имеющие массы, как бы склеивают кварки. Вскоре во Вселенной не остается ни одного одиночного кварка.
Тройки кварков станут важными составными элементами атомов. В зависимости от конфигурации они образуют две структуры: протоны, положительно заряженные частицы материи, которые позднее сформируют ядра атомов водорода; и нейтроны, частицы без электрического заряда.
Одновременно то же самое происходит и со всеми антикварками. Они объединяются в антипротоны и антинейтроны.
Вселенная приблизилась к одному из самых драматических моментов в своей истории. С момента ее рождения не прошло еще и секунды, когда начинается масштабное взаимоуничтожение материи и антиматерии.
Частицы и античастицы сталкиваются. Протоны — с антипротонами, нейтроны — с антинейтронами, электроны — с антиэлектронами. И взрываются, рассыпаясь фейерверком фотонов.
За долю секунды до этого фотоны обладали достаточной энергией, чтобы снова и снова трансформироваться в материальные частицы типа кварков и электронов. Но из-за расширения Вселенной они «ослабевают». И в конце концов уже не могут восполнить потерю материи и антиматерии.
Вещество Вселенной выгорает, превращаясь в световое излучение, она теряет массу и плотность. Кажется, миру и антимиру грозит полное уничтожение. За один миг от них почти ничего не остается.
Вселенская катастрофа продолжается всего несколько секунд. Антиматерии больше нет.
Но часть материи каким-то чудом уцелела. Это связано с крошечным численным перевесом в ее пользу. По расчетам физиков, на каждый миллиард частиц антиматерии изначально приходился один миллиард плюс одна частица материи.
По какой-то неизвестной причине материи в ранней Вселенной оказалось немного больше, чем антиматерии. Если бы не этот мизерный дисбаланс, то не было бы ни нашего мира, ни нас самих. Из тех самых протонов и нейтронов, роившихся в космосе 13,7 миллиарда лет назад, состоят наши тела и все живое вокруг нас.
После гибели антиматерии протоны вне опасности. Другое дело — нейтроны. Им по-прежнему угрожает распад, хотя их антагонисты, антинейтроны, уже уничтожены. Хотя они сами по себе недостаточно стабильны. По крайней мере, по отдельности.
Вселенная уже настолько остыла, что у электронов нет сил сопротивляться слабому ядерному взаимодействию. Оно буквально растаскивает их на части, преобразуя в протоны, электроны и нейтрино.
С момента Большого взрыва прошла почти минута. Многие нейтроны уже распались. Размеры Вселенной — десять квадриллионов километров. Это сотая часть Млечного Пути. Температура опустилась до миллиарда градусов. И продолжает падать.
Начинается новый период — эпоха нуклеосинтеза, когда формируются ядра атомов химических элементов.
Скорость движения протонов и нейтронов настолько замедляется, что между ними возникает сильное ядерное взаимодействие. Два протона и два нейтрона объединяются, подобно кваркам. И в ходе многоступенчатого процесса образуют атомные ядра существующего до сих пор элемента — гелия.
Из четырех нейтронов и трех протонов формируются ядра атома еще одного элемента — лития. Слияние с протонами защищает нейтроны от распада. Энергия связи внутри атомного ядра нейтрализует разрушительный эффект слабого ядерного взаимодействия. На закрепление всех свободных нейтронов в ядрах атомов гелия и лития уходит всего пять минут.
В истории Вселенной наступает затишье. Если до этого она развивалась стремительно и скачкообразно, то теперь на подготовку к очередному преобразованию уходит долгое время.
Проходят минуты, часы, дни, годы. Почти ничего нового не происходит. Вселенная продолжает раздуваться и остывать и за год становится в шесть раз больше Млечного Пути. Но ее температура — все еще два миллиона градусов. Через сто лет она снижается до 200 тысяч градусов. А еще через тысячу лет — до 60 тысяч.
Пока космос остается мутным. В этом раскаленном туманном пространстве свет рассеивается из-за того, что фотоны постоянно сбиваются с прямой траектории, сталкиваясь со снующими повсюду свободными электронами.
Но скоро все изменится.
С момента Большого взрыва проходит несколько сотен тысяч лет, когда проявляется электромагнетизм, обеспечивающий взаимное притяжение положительных и отрицательных зарядов. Большинство отрицательно заряженных электронов начинает вращаться вокруг положительно заряженных протонов. Или ядер атомов гелия и лития.
Поначалу электроны периодически срываются со своих орбит. Наталкиваясь на пролетающие мимо фотоны, они отрываются от атомного ядра и возвращаются в свободное плавание.
Но их судьба предрешена. Вселенная расширяется. А значит, они неминуемо потеряют энергию и замедлятся.
Когда через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура космоса опускается до 2700 градусов, уже все электроны вращаются вокруг атомных ядер.
Так возникают атомы. 75 процентов из них составляют атомы водорода, самого легкого и простого по строению химического элемента: один протон и один электрон. Вторые по численности — атомы гелия, которые сформировались из двух электронов и ядра, состоящего из двух протонов и двух нейтронов.
В космосе парят и атомы лития с ядром, окруженным тремя электронами.
Свободных электронов, которые рассеивали частицы света, не остается. Да и самим фотонам уже не хватает энергии, чтобы сбить электроны с атомных орбит. Теперь ничто не препятствует распространению света.
Сквозь пелену космоса пробиваются первые лучи. Благодаря формированию атомов мировое пространство становится светопроницаемым и прозрачным.
Теперь Вселенная представляет собой бесконечную пустоту, наполненную белым светом. Позднее люди научатся улавливать отблески этого фонового излучения, хранящие информацию о далеком прошлом космоса.
В последующие тысячелетия по мере расширения пространства частицы света продолжают терять энергию. Излучение становится все слабее. Цвет космоса меняется. Ослепительная белизна сменяется желтизной. Потом — ярко-оранжевым, красным и фиолетовым цветами.
Пространство темнеет. И в конце концов остается лишь чернота.
Становится все холоднее. За 12 миллионов лет с момента Большого взрыва раскаленное пространство остывает до 25 градусов Цельсия. Еще через два миллиона лет температура опускается ниже нуля. И в итоге достигает минус 270 градусов. Крошечный, сверхтяжелый, раскаленный шарик превращается в сумрачного и холодного гиганта. Кажется, так будет вечно.
Но в холодных глубинах космоса назревает следующее грандиозное событие. Частицы материи распределены в пространстве неравномерно. В некоторых областях концентрация атомов водорода и гелия больше. Под действием гравитации они начинают притягиваться друг к другу и образовывать гигантские газовые облака.
Спустя 100 миллионов лет после Большого взрыва происходит еще одно космическое чудо.
Сгущаясь, темные облака газа закручиваются сначала в спирали, а затем в массивные шары. Некоторые из них становятся все больше, все плотнее, все горячее. В какой-то момент в их недрах вспыхивает термоядерное пламя.
И повсюду в черноте космоса загораются первые звезды.
(с) Хеннинг Энгельн, Райнер Харф