Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Во всех этих описаниях Вселенной – релятивистских космологических моделях – есть одна странность: Большой Взрыв – это не взрыв огромного первичного атома, висевшего в пустоте. Между тем именно так он и видится многим обывателям: галактики – словно осколки взорвавшейся бомбы, разлетающиеся в космосе в разные стороны. Но на самом деле все было не так.

Уравнения Эйнштейна говорят нам, что расширяется само пространство – и это оно, расширяясь, уносит галактики за собой. Когда-то, когда Вселенная была моложе, галактики располагались гораздо теснее, поскольку расстояния между ними были более «сжатыми», чем теперь. Представьте себе две капли краски на резиновой ленте. Потянешь за концы ленты, она растянется, и капли краски разойдутся в стороны, но относительно материала, из которого сделана лента, они никуда не сдвинутся.

Так что в очень юной Вселенной во время взрыва первичного атома не было никакого «внешнего пространства», куда разлетались осколки после взрыва. Пространство было тесно свернуто само на себя, так что космическое яйцо было полностью самодостаточным шаром из вещества, энергии, пространства и времени. То есть, в сущности, представляло собой сверхплотную черную дыру. И оно до сих пор представляет собой черную дыру, разница лишь в том, что оно расширилось, поэтому плотность черной дыры стала гораздо меньше, и теперь свет в ней описывает на горизонте очень плавные кривые.

Мы живем в черной дыре, просто такой огромной, что искривление пространства-времени в ней очень мало, и земными астрономическими инструментами его не измерить. Большой Взрыв растянул пространство и буквально дал материальному содержимому космического яйца простор для маневра. Сначала Вселенная была очень плотной и горячей, но по мере расширения доступного пространства этот огненный шар остывал и разрежался. Совсем как жидкость в радиаторе вашего холодильника остужает его. Внутри холодильника жидкость распространяется по просторной камере и охлаждается, а снаружи, на задней стенке холодильника, втискивается в более тесное пространство и нагревается, однако тепло уходит с радиатора, прежде чем жидкость возвращается в холодильник и начинается новый цикл. Когда Вселенная была сжатой, ее температура была гораздо выше, как у сжатой охлаждающей жидкости или у воздуха в велосипедном насосе.

Насколько выше? Если вернуться по логической цепочке космологической модели к самому началу, то есть к сингулярности, предсказанной уравнениями Эйнштейна, придется иметь дело с бесконечными температурами, а не только с бесконечной плотностью. Но в 1960-е годы никто не доходил до таких крайностей. Бесконечности по-прежнему считались каким-то просчетом в ОТО, но все равно момент появления в модели бесконечностей мог служить отметкой начала времен (по крайней мере, пока никто не предложил теорию получше).

Физика 1960-х годов ничего не могла сказать о том, что происходило в долю секунды сразу за началом этого начала времен, зато подробно описала все, что происходило со Вселенной в течение 15 миллиардов лет, которые начались всего через одну десятую долю секунды после Большого Взрыва. Космологи все больше убеждались, что ОТО не так уж и плохо описывает Вселенную, раз объясняет все, что случилось за последние 15 миллиардов лет, кроме самой первой десятой доли секунды. Вот что она им говорила.

Спустя одну десятую секунды после «начала» (или после «отскока», как выражались многие космологи 1960-х), плотность Вселенной была в 30 миллионов раз больше плотности воды. Температура составляла 30 миллиардов градусов, [23]и Вселенная состояла из смеси очень высокоэнергичного излучения (фотонов) и материальных частиц, в том числе нейтронов, протонов и электронов, но не только – были еще нестабильные экзотические частицы, ненадолго возникавшие из чистого излучения. Ярчайший пример эквивалентности вещества и энергии, выраженной в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc 2 . На Земле, в атомной бомбе, в недрах Солнца, где идут ядерные реакции, крошечные количества вещества ( m ) преобразуются в огромную энергию ( E ), потому что c – это скорость света, 300 000 километров в секунду, а c 2 – это прямо-таки очень много. Но если у тебя в распоряжении вдоволь энергии, из нее и вправду можно создавать вещество, и после Большого Взрыва энергии для этого фокуса было предостаточно, хотя многие частицы, возникшие в результате, были нестабильны и вмиг исчезали, превратившись в излучение.

Секунду спустя, через 1,1 секунды после начала, Вселенная уже заметно остыла, до десяти миллиардов градусов. Плотность Вселенной в это время была всего в 380 000 раз больше плотности воды, а после этого реакции между частицами были очень похожи на ядерные реакции, идущие сегодня в недрах Солнца и других звезд.

При температуре в три миллиарда градусов, менее чем через 14 секунд после начала, смогли, пусть и ненадолго, сформироваться первые ядра дейтерия. Водород – самый простой атом, с единственным протоном в ядре и одним электроном на орбите вокруг ядра (в каком-то смысле одиночные протоны можно считать ядрами водорода). Следующий по сложности атом – дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, а вокруг них по орбите вращается один электрон. Атомы, у которых одинаковое количество электронов, но разное количество нейтронов, обладают одинаковыми химическими свойствами и называются изотопами; дейтерий – изотоп водорода, который иногда называют «тяжелый водород».

Температура – мера средней скорости частиц, из которых состоит вещество (именно поэтому не может быть температуры ниже –273 °C, когда прекращается движение атомов), а при температурах выше трех миллиардов градусов протоны и нейтроны носятся так быстро, что способны лишь отскакивать друг от друга. Одни частицы движутся быстрее среднего, другие медленнее, хотя скорости большинства близки к средней. Поэтому, когда температура падает ниже этой величины, некоторые протоны и нейтроны движутся уже довольно медленно и при столкновении соединяются. Соединяет их притяжение, известное как сильное взаимодействие. Как ясно из названия, это мощная сила притяжения, возникающая между протонами и нейтронами. Однако действует она только на очень малых расстояниях, и быстрые частицы проскакивают мимо друг друга или отскакивают быстрее, чем сильное взаимодействие успевает их связать. Поначалу большинство ядер дейтерия, возникших таким образом, разрушались при столкновениях с более быстрыми частицами, но огненный шар понемногу остывал, и шансы на выживание у ядер дейтерия постоянно повышались.

Всего через 3 минуты и 2 секунды после начала температура упала ниже миллиарда градусов, и Вселенная была всего в семьдесят раз горячее, чем недра Солнца в наши дни. Теперь почти все ядра дейтерия могли соединяться попарно, и получались ядра гелия. Каждое ядро гелия содержит два протона и два нейтрона, всего четыре «нуклона», поэтому они называются ядрами гелия-4 (у атома гелия, разумеется, есть еще два электрона, вращающиеся вокруг ядра).