Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Согласно теории Большого взрыва, наша Вселенная была горячее, чем центр звезды. Почему же тогда все первоначальные атомы водорода не превратились в железо? (Вспомним, что ядра атомов железа крепче связаны, чем любые другие, и создаются только в сердце самых больших и самых горячих звезд). Если бы это произошло, в нашей сегодняшней Вселенной не существовали бы долгоживущие звезды, потому что все доступное топливо было бы использовано в изначальном огненном шаре. Звезда, состоящая из газообразного железа, могла бы существовать, но она бы истощилась не за миллиарды лет, а за миллионы, как когда-то Кельвин думал про Солнце. К счастью, первые несколько минут расширения не дали достаточного времени для того, чтобы ядерные реакции превратили какие-либо из первоначальных материалов в железо или даже в углерод, кислород и т. д. Реакции преобразовали примерно 23 % водорода в гелий, но (если не считать следов лития) элементы, стоящие дальше в периодической таблице, во время самого Большого взрыва не образовались.

Первичный гелий тем не менее очень важен и дает значительное подкрепление теории Большого взрыва. Даже самые старые объекты (где примесь углерода, кислорода и т. д. в сотни раз меньше, чем внутри Солнца), как выяснилось, на 23–24 % состоят из гелия: не обнаружено ни одной звезды, галактики или туманности, где гелий встречается реже. По всей видимости, галактики вначале состояли не из чистого водорода, а сразу из смеси водорода и гелия. (Внешние слои Солнца на 27 % состоят из гелия, из них «лишние» 3–4 % – это то количество, которое было синтезировано наряду с углеродом, кислородом и железом внутри первых короткоживущих звезд, создавших пылевое облако, из которого образовалась наша Солнечная система {8} 8 Смешивания между центральной областью Солнца и его внешними слоями не происходит, поэтому в ядре все еще будет больше гелия из-за скопления отработанного ядерного топлива, которое заставляет Солнце светиться более 4,5 млрд лет. .)

Многие медленно горящие звезды с низкой массой, которые образовались на несколько миллиардов лет раньше Солнца, когда наша Галактика была еще молода, до сих пор живы. В них содержится меньше, чем в Солнце, углерода, кислорода и железа в пропорции с водородом, что вполне естественно, если, как первым заметил Хойл, эти атомы были исторгнуты из массивных звезд и постепенно накапливались с течением истории Вселенной. Точка зрения Хойла расходится с мнением Георгия Гамова о том, что вся периодическая таблица была «приготовлена» в первоначальной Вселенной. Если бы Гамов был прав и эти элементы возникли раньше, чем первые звезды и галактики, они бы встречались повсюду с одинаковой частотой – и в молодых, и в старых звездах.

Гелий – единственный элемент, который, согласно расчетам, был создан в изобилии во время Большого взрыва. Это обнадеживает, поскольку объясняет, почему гелия так много и он повсюду присутствует в одной и той же пропорции. Таким образом, установление связи гелия с Большим взрывом решило давнюю проблему и подтолкнуло космологов к тому, чтобы обратить серьезное внимание на первые несколько секунд космической истории.

Кроме того, на Большой взрыв удалось возложить ответственность за другой вид атомов – дейтерий (тяжелый водород). Атом дейтерия содержит не только протон, но и нейтрон, что дает ему дополнительную массу, но не дополнительный заряд. При ином обороте дела существование дейтерия оставалось бы загадкой, потому что в звездах он только разрушается: в качестве ядерного топлива поджечь его легче, чем обычный водород, поэтому недавно образованные звезды сжигают весь дейтерий во время своего первоначального сжатия, а потом переходят на более длинные фазы сжигания водорода.

Гелий и дейтерий появились, когда температура сжатой Вселенной была около 3 млрд градусов – примерно в миллиард раз выше, чем сейчас. При расширении Вселенной мы можем представить себе, как удлиняются штыри в пространственной решетке Эшера (см. рис. 5.1). Волны излучения вытягиваются пропорционально длине штырей, и температура понижается в обратной пропорции к длине. Это означает, что, когда температура была около 3 млрд градусов (а не около 3 градусов выше абсолютного нуля, как сейчас), штыри были в миллиард раз (10 9) короче, а для плотности эту степень еще нужно возвести в куб – она была в 10 27раз выше. Но наша сегодняшняя Вселенная такая разреженная – примерно 0,2 атома на 1 м 3, – что ее плотность, которая была настолько огромной, сейчас меньше плотности воздуха! Температура же была так высока, что отдельные ядра были вовлечены в быстрое хаотичное движение. В лабораторных экспериментах можно проверить, что же происходит, когда ядра водорода и гелия сталкиваются с той же энергией, как при образовании гелия, поэтому расчеты основываются на фундаментальной физике.

Если мы примем сегодняшнюю плотность Вселенной равной 0,2 атома на 1 м 3, рассчитанное соотношение водорода, гелия и дейтерия, которые появились при остывании «огненного шара» Вселенной, согласуется с наблюдениями. Это не может не радовать, потому что наблюдаемое изобилие могло бы полностью противоречить предсказаниям любой теории Большого взрыва или могло им соответствовать только при гораздо большей или гораздо меньшей плотности, чем те, которые мы наблюдаем. Как видим, значение 0,2 атома на 1 м 3в самом деле близко к сглаженной плотности галактик и газа во Вселенной. (У этого положения есть важное применение в области изучения темной материи, и мы обсудим это в следующей главе.)

Примерно через 5 млрд лет Солнце умрет, и Земля – вместе с ним. Примерно в то же время (прибавьте или убавьте миллиард лет) Туманность Андромеды, наш ближайший крупный галактический сосед, который принадлежит к тому же скоплению, что и наша Галактика, и который в настоящее время падает на нас, врежется в Млечный Путь.

Эти прогнозы на огромный срок являются надежными, потому что они построены на предположении о том, что в течение следующих 5 млрд лет основные законы физики, определяющие жизненный цикл Солнца, и сила притяжения звезд и галактик будут оставаться такими же, как и в предыдущие 5–10 млрд. Тем не менее мы не можем предсказать куда более интересные детали. Мы не можем быть уверены, что Земля по-прежнему будет оставаться третьей от Солнца планетой в течение следующих 5 млрд лет: в такой огромный промежуток времени орбиты планет тоже могут вести себя «хаотически». И конечно же, нельзя сделать надежные предсказания о том, как изменится поверхность Земли, в особенности о тех гораздо более быстрых изменениях в биосфере, которые производит наш собственный вид даже за миллионную долю этого времени.