Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Проблему отклонений сформулировать чуть проще. Она сводится к вопросу о том, откуда взялись крошечные флуктуации плотности в космическом микроволновом фоновом излучении, и чем объясняется их распределение.

Теория космической инфляции решает обе эти проблемы, наряду с несколькими другими. Основная идея состоит в том, что в ранней Вселенной был период времени после сингулярности, но до окончания стадии огненного шара, когда она расширялась невероятно быстро. Эта теория допускает существование периода на ранней стадии развития Вселенной, когда очень маленькая область могла достичь теплового равновесия и увеличиться до размера наблюдаемой нами Вселенной в результате быстрого расширения. Представьте, что будет, если взять сложную абстрактную картину и растянуть ее так, чтобы весь вид закрывало пятно одного цвета. По сути, при расширении Вселенной одна из ее областей, которая изначально была достаточно мала, чтобы успеть достичь теплового равновесия, увеличилась и превратилась в то, что мы называем наблюдаемой Вселенной.

С помощью теории инфляции и квантовой физики также можно объяснить флуктуации плотности. Существенное различие между физикой субатомного мира и физикой макромира состоит в том, что каждому взаимодействию отдельных частиц присуща неустранимая неопределенность. Возможно, вы уже слышали о принципе неопределенности Гейзенберга, который говорит о существовании предела точности любого измерения, обусловленного присущей квантовой механике неопределенностью, так или иначе искажающей результат. Если вы очень точно измерите положение частицы, вы не сможете определить ее скорость, и наоборот. Даже если вы оставите частицу в покое, она все равно будет подвержена случайным блужданиям, и при каждом ее измерении вы будете получать несколько иной результат.

Как это связано с реликтовым излучением? Согласно гипотезе, инфляция была вызвана неким энергетическим полем, подверженным квантовым флуктуациям, или случайным колебаниям. Эти колебания в микроскопическом масштабе представляют собой лишь кратковременные вспышки, но они изменяют плотность в том микромасштабе, в котором происходят, а вследствие расширения превращаются в достаточно существенные неравномерности в распределении плотности первичного газа. Существование небольших пятен в космическом микроволновом фоновом излучении объяснимо, если принять тот факт, что они являются результатом естественной многотысячелетней эволюции флуктуаций, возникших в первые 10 -34секунды существования космоса. Из этих самых пятнышек в итоге сформировались все наблюдаемые сегодня галактики и их скопления.

Тот факт, что распределение самых больших структур во Вселенной может быть точно сопоставлено с колебаниями квантового поля, не перестает меня поражать. Связь космологии с физикой элементарных частиц нигде не проявляется так ярко, как при исследовании космического микроволнового фонового излучения.

Однако мы забегаем вперед. До образования реликтового излучения пройдет еще множество эонов. Мы преодолели лишь 10 -34секунды, и нам еще о многом нужно поговорить.

К моменту окончания стадии инфляции молодая Вселенная стала намного более холодной и пустой по сравнению с моментом своего зарождения. Процесс, называемый «вторичным нагревом», привел к повсеместному повышению температуры, чем вызвал дальнейшее постепенное расширение и охлаждение.

Если до инфляции космос, скорее всего, можно было бы описать Теорией великого объединения, то после ее окончания он начал приближаться к состоянию, отвечающему современным законам физики. Впрочем, до этого еще далеко. На данной стадии сильное ядерное взаимодействие уже покинуло вечеринку ТВО, а электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие по-прежнему оставались объединенными в некое «электрослабое» взаимодействие. Однако в первичном бульоне [24] Проницательный читатель, конечно же, замечает разницу в значении этого термина в физике и биологии. (Прим. ред.) уже начали формироваться частицы, а именно, кварки и глюоны.

В наши дни кварки чаще всего встречаются в виде компонентов протонов и нейтронов (которые вместе называются адронами). Глюоны представляют собой своеобразный «клей», который связывает кварки посредством сильного ядерного взаимодействия. Глюоны настолько хорошо справляются со своей задачей, что, несмотря на распространенность систем, включающих два, три, а иногда четыре и пять кварков, обнаружить отдельный кварк до сих пор никому не удавалось. Оказывается, если у вас есть два кварка, связанных вместе в экзотической частице, называемой мезоном, вам придется потратить на их разделение столько энергии, что, прежде чем вы сможете добиться своего, энергия, которую вы затратили, спонтанно породит еще два кварка. Поздравляю! Теперь у вас два мезона.

Однако в ранней Вселенной действовали иные правила. Мало того, что силы природы подчинялись другим законам, саму Вселенную заполняла другая смесь частиц, а температуры были настолько высокими, что кварки не могли существовать в стабильном связанном состоянии. Кварки и глюоны свободно отскакивали друг от друга в кипящей смеси, называемой кварк-глюонной плазмой, которая представляет собой своего рода ядерный аналог пламени.

Эпоха кварков продолжалась до тех пор, пока Вселенная не достигла зрелого возраста в одну микросекунду. Незадолго до этого (вероятно, около отметки в 0,1 наносекунды) электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие. Примерно в это же время произошло нечто, позволившее отделить материю от антиматерии (ее злобного близнеца), в результате чего большая часть содержащейся во Вселенной антиматерии аннигилировала [25] Сегодня мы обнаруживаем антиматерию в некоторых видах взаимодействия частиц, однако в основном мы замечаем ее тогда, когда частица встречает свою античастицу и происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) с выделением энергии. . Как и почему такое произошло, до сих пор остается загадкой, однако нам следует этому радоваться, поскольку в противном случае мы рисковали бы столкнуться с античастицами и исчезнуть во вспышке гамма-лучей.

Об эпохе кварков и о кварк-глюонной плазме мы знаем гораздо больше, чем об эпохе Великого объединения. Соответствующая теория довольно хорошо разработана и не так сильно отклоняется от стандартной физики элементарных частиц, как ТВО, а эксперименты подтверждают прогнозы, основанные на теории электрослабых взаимодействий. Однако настоящий прорыв состоит в том, что мы способны воссоздать кварк-глюонную плазму в лаборатории. Такие ускорители частиц, как Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC, The Relativistic Heavy Ion Collider) и Большой адронный коллайдер (БАК, или LHC, Large Hadron Collider), сталкивая между собой ядра золота или свинца на чрезвычайно высоких скоростях, способны создавать крошечные огненные шары, настолько горячие и плотные, что они сдавливают все частицы и на мгновение заполняют коллайдер кварк-глюонной плазмой. Наблюдая, как после столкновений обломки «замерзают», превращаясь в обычные адроны, ученые могут изучить свойства этой экзотической материи, а также действие законов физики в таких экстремальных условиях.