Нил Тайсон - Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Время шло, и космос продолжал расширяться и охлаждаться. Когда он стал больше, чем наша нынешняя Солнечная система, температура вдруг быстро упала. Вселенная все еще была невероятно горячей, но ее температура снизилась до значений менее триллиона градусов Кельвина.

От начала мира прошла одна миллионная доля секунды.

Итак, за это время Вселенная выросла от мельчайшей частицы точки в конце этого предложения до размеров нынешней Солнечной системы. А это область размером почти триста миллиардов километров, или более ста восьмидесяти миллиардов миль в поперечнике.

Может, вы уже знаете, что есть несколько различных способов измерять температуру. В Соединенных Штатах мы пользуемся градусами Фаренгейта, в Европе и большей части остального мира привыкли к градусам Цельсия [2] Видимо, это шутка автора. Температура в сто градусов по Цельсию действительно сильно отличается от ста Кельвинов, но, когда мы говорим о миллионах градусов, небольшое различие в нуль-пунктах этих шкал не имеет никакого значения. – Прим. пер. . Астрофизики применяют шкалу Кельвина – на ней ноль градусов – это настоящий ноль, ниже него температура быть не может. Так что триллион градусов Кельвина – это чуть побольше, чем триллион градусов Фаренгейта или Цельсия. Нет, я не имею ничего против других температурных шкал – в повседневной жизни меня вполне устраивает Фаренгейт. Но, когда я думаю о Вселенной, мне нужны только Кельвины.

Триллион градусов Кельвина – это во много раз горячее поверхности Солнца. Но по сравнению с самым первым мгновением после Большого взрыва его можно считать прохладой. Тепленькая Вселенная уже не была достаточно горячей и плотной, чтобы образовывать новые кварки, а все уже созданные крепко обхватили своих партнеров и стали объединяться в более тяжелые частицы. Такие комбинации кварков вскоре привели к появлению знакомых нам форм вещества: протонов и нейтронов.

К этому времени от начала мира прошла одна секунда.

Вселенная разрослась до размера в несколько световых лет – примерно на таком расстоянии от ближайших к нему звезд сейчас находится Солнце. Температура ее упала до миллиарда градусов, и в ней все еще очень жарко – достаточно жарко, чтобы приготовить маленькие электроны и их античастицы, позитроны. Эти частицы внезапно возникают, аннигилируют друг с другом и снова исчезают. Но то же самое правило, которое действовало для других частиц, справедливо и для электронов: один на миллиард все-таки выживает.

1. Начните с кварков и лептонов.

2. Слепите кварки вместе, чтобы получились протоны и нейтроны.

1 Из протонов, нейтронов и электронов (отрицательно заряженных лептонов) постройте ваши первые атомы.

4. Смешайте эти атомы, чтобы получились молекулы.

5. Собирая молекулы в различных сочетаниях и формах, создайте планеты, цветы и людей.

Остальные взаимно уничтожаются.

Температура космоса падает ниже ста миллионов градусов, что все еще намного горячее нынешней поверхности Солнца.

Частицы большего размера начинают сплавляться друг с другом. Основные ингредиенты тех самых атомов, которые сегодня составляют весь видимый мир: звезды и планеты, деревья и дома за окном, носки твоего друга, мои усы, – соединяются в одно целое. Протоны сплавляются с другими протонами и еще с нейтронами, образуя центры атомов – атомные ядра.

От начала мира прошло уже две минуты.

Как правило, носящийся по Вселенной электрон притягивается к протонам и ядрам. У электронов есть отрицательный заряд. У протонов и ядер заряды положительные, а противоположности притягиваются. Почему у одних частиц заряд положительный, а у других отрицательный? И почему, спросите вы, противоположности притягиваются?

Ответ простой: потому.

Вот четыре фундаментальные силы, которые управляют нашей Вселенной.

1. Тяготение – о нем вы уже знаете.

2. Мощная сила, которая удерживает частицы вместе в центре атома.

3. Слабая сила, заставляющая атом разваливаться и выделять энергию. Вообще-то она не такая уж слабая. Она гораздо сильнее тяготения. Но все же она не такая сильная, как мощная сила из предыдущего пункта.

4. Электромагнитная сила притягивает отрицательно заряженный электрон к положительно заряженному протону в центре атома. Она же связывает несколько атомов в молекулу.

Простой итог: тяготение связывает крупные тела, а остальные три силы действуют на маленькие частицы.

Я бы и рад дать вам ответ получше этого. Но Вселенная не обязана иметь какой-то смысл – она нам ничего не обещала. Я могу только сказать, что много, очень много лет научных исследований подтверждают, что все устроено именно так.

Зная об этом их свойстве, можно было бы сделать вывод, что протоны и электроны должны намертво приклеиться друг к другу. Однако на протяжении тысяч лет Вселенная оставалась еще слишком горячей, чтобы это могло случиться. Электроны носились в пространстве сами по себе, изо всех сил пиная попадающиеся им по дороге фотоны – это вообще любимое занятие свободных электронов.

Все это кончилось, когда температура Вселенной упала ниже 3000 градусов Кельвина (примерно вдвое холоднее поверхности Солнца) и все свободные электроны соединились с положительно заряженными протонами. Когда это случилось, все фотоны смогли пересекать Вселенную беспрепятственно – и этот свет современные ученые все еще могут регистрировать. Мы поговорим об этом подробнее в главе 3.

От начала мира прошло триста восемьдесят тысяч лет.

А Вселенная продолжала расширяться, как воздушный шарик, который никак не лопнет. Расширяясь, она охлаждалась, и тяготение постепенно принялось за работу. Первые несколько сотен тысяч лет частицы беспорядочно носились повсюду, как расшалившиеся малыши на детской площадке. Но потом гравитация начала стягивать вещество в космические города – галактики.

У каждого человека есть какие-то качества и особенности. Кто-то может быть приветливым, а кто-то угрюмым. Эти свойства помогают нам как-то характеризовать других людей. Заряд – одно из основных свойств материи. У некоторых частиц, например у протонов, имеется положительный заряд. У других частиц заряд отрицательный. А некоторые частицы, например нейтроны, вообще не имеют никакого заряда. Когда две частицы обладают одинаковым зарядом, они отталкиваются друг от друга. А если у них заряды противоположные, как у протона и электрона, тогда они друг к другу притягиваются.