Этот бесконечно малый океан очень горячей экзотической материи расширяется по мере того, как растёт заполняемое им пространство. Материя растекается во все стороны от вас, и океан становится не таким густым. Чем дальше она утекает, тем больше расширяется пространство между вами и ею — тем быстрее она удаляется. А материя, которая дальше всего от вас, удаляется со скоростью, превышающей скорость света.
И очень быстро — в ту же первую секунду после Большого взрыва — происходит множество сложных изменений. Из-за расширения крошечной Вселенной горячая экзотическая жидкость в малюсеньком океане остывает. При этом во Вселенной происходят резкие изменения вроде тех, что происходят с водой, когда она замерзает и превращается в лёд.
Когда новенькая Вселенная всё ещё гораздо меньше атома, одно из этих изменений в жидкости вызывает колоссальное увеличение скорости расширения, называемое инфляцией. Вселенная увеличивается вдвое, затем ещё вдвое, затем ещё и ещё — и так её размеры удваиваются примерно 90 раз, и происходит переход от масштабов элементарной частицы к масштабам человека. Как мы, застилая постель, расправляем простыню, так и при растяжении Вселенной распрямляются все неровности и выпуклости материи. В конечном счёте наблюдаемая нами Вселенная становится очень гладкой и почти одинаковой во всех направлениях.
С другой стороны, мельчайшая рябь в жидкости тоже растягивается и удлиняется, что позже даст толчок формированию звёзд и галактик.
Инфляция резко прекращается. При этом выделяется огромное количество энергии, отчего возникает множество новых частиц. Экзотическая материя исчезла, её сменили более известные нам частицы: кварки (это кирпичики для построения протонов и нейтронов — которые сформируются позже, когда будет не так жарко), антикварки, глюоны (летающие между кварками и антикварками), фотоны (частицы, из которых состоит свет), электроны и другие частицы, хорошо знакомые физикам. Среди них могут быть и частицы тёмной материи, но, хотя они по идее должны возникнуть, мы пока ещё не понимаем, что они собой представляют.
Куда же делась экзотическая материя? Часть её во время инфляции улетела от вас в те области Вселенной, которых мы, возможно, никогда не увидим; другая часть по мере снижения температуры распалась на менее экзотические частицы. Материя вокруг вас уже совсем не такая горячая и густая, как раньше, хотя пока ещё горячее и гуще, чем сегодня где бы то ни было, в том числе и внутри звёзд. Вселенная теперь наполнена плазмой — горячим светящимся туманом, состоящим преимущественно из кварков, антикварков и глюонов.
Расширение продолжается (гораздо медленнее, чем при инфляции), и постепенно температура снижается настолько, что кварки и антикварки уже способны связываться в группы по два-три, образуя протоны, нейтроны и другие частицы, известные как адроны; а также антипротоны, антинейтроны и прочие антиадроны. Через светящуюся туманную плазму мало что можно разглядеть, а Вселенной тем временем уже исполнилась одна секунда.
Потом начинаются фейерверки, которые длятся несколько секунд: это происходит взаимное уничтожение большей части произведённой ранее материи и антиматерии, порождающее потоки новых фотонов. Туман теперь состоит в основном из протонов, нейтронов, электронов, тёмной материи и фотонов (их больше всего), но заряженные протоны и электроны не позволяют фотонам разлетаться слишком далеко, поэтому видимость в этом расплывающемся и остывающем тумане остаётся очень слабой.
Когда Вселенной уже несколько минут, уцелевшие протоны и нейтроны объединяются и образуют атомные ядра — преимущественно это ядра атомов водорода и гелия. Они тоже заряжены, поэтому туман по-прежнему густой и сквозь него ничего не видно. На этом этапе вещество, из которого состоит туман, напоминает то, что в наше время находится внутри звёзд, — только это вещество заполняет всю Вселенную.
После бешеной активности первых минут жизни Вселенная в течение нескольких сотен тысяч лет остаётся практически прежней — продолжает расширяться и остывать, горячий туман постоянно разрежается, тускнеет и краснеет, по мере того как длины световых волн увеличиваются за счёт расширения пространства. Затем, через 380 тысяч лет, когда та часть Вселенной, которая впоследствии будет видна с Земли, расширяется до миллионов световых лет, туман наконец-то рассеивается: электроны захватываются ядрами водорода и гелия, и формируются целые атомы. Поскольку электрические заряды электронов и ядра взаимно компенсируются, эти атомы не несут электрического заряда, так что фотоны уже могут перемещаться без препятствий — Вселенная стала прозрачной.
Что же вы видите теперь, прождав сотни тысяч лет, пока туман рассеется? Только тускнеющее красное свечение во всех направлениях. Пространство продолжает расширяться, длины волн фотонов — растягиваться, и это свечение становится всё краснее и всё тусклее. Наконец этот свет вообще перестаёт быть видимым. Повсюду, куда ни глянь, только тьма. Мы вступили в космические Тёмные века.
Фотоны от этого последнего свечения с тех пор так и путешествуют по Вселенной, постоянно становясь даже ещё краснее; сегодня их можно обнаружить в виде реликтового космического микроволнового фонового излучения; они и сейчас отовсюду долетают до Земли.
Эти Тёмные века Вселенной длятся несколько сотен миллионов лет, и на протяжении всего этого времени смотреть в буквальном смысле не на что. Вселенная по-прежнему заполнена материей, но почти вся она — тёмная материя, а остальное — газы, водород и гелий, и ничто из этого не порождает новый свет. Однако в полной темноте потихоньку происходят перемены.
Рябь, некогда мельчайшая, но усиленная инфляцией, означает, что в некоторых областях Вселенной масса немножко больше среднего. Следовательно, притяжение этих областей усиливается, привлекая ещё больше массы, и тёмная материя, водород и гелий притягиваются ближе друг к другу. Медленно, за миллионы лет, в результате этого усиливающегося притяжения появляются сгустки тёмной материи и газа, которые постепенно растут, втягивая в себя всё больше материи. Иногда их рост ускоряется — когда они сталкиваются и сливаются с другими сгустками. Когда газ попадает в эти сгустки, его атомы ускоряются и нагреваются. То и дело этот газ становится таким горячим, что перестаёт сжиматься; остыть он может, только испуская фотоны, а сжаться — только столкнувшись с другим облаком материи.
Если облако газа сжимается слишком сильно, оно распадается на шарообразные капли, такие плотные, что тепло из них уже не может вырваться наружу. В конечном счёте достигается точка, когда ядра водорода в центре этих капель так сильно нагреваются и притягиваются друг к другу, что начинают слипаться (объединяться) в ядра гелия и излучать ядерную энергию. Вы сидите в одном из этих сжимающихся сгустков тёмной материи и газа (потому что именно там через много-много лет возникнет наша Галактика); и каково же ваше удивление, когда тьма вокруг вас вдруг озаряется ярким светом — это вспыхнула первая из ближних к вам капель. Так рождаются первые звёзды. Это конец Тёмных веков.
Первые звёзды быстро сжигают свой водород и на последних стадиях своей жизни соединяют воедино все ядра, какие только могут найти, чтобы создать атомы потяжелее, чем атомы гелия: атомы углерода, азота, кислорода и другие более тяжёлые атомы, которые сегодня находятся вокруг (а также внутри) нас с вами. Эти атомы, подобно пеплу, рассеиваются обратно в ближние газовые облака при колоссальных взрывах и вновь сметаются в кучу при образовании, нового поколения звёзд. Процесс продолжается: из накапливающегося газа и пепла формируются новые звёзды, потом они умирают и снова рассыпаются пеплом. По мере рождения новых звёзд наша Галактика — Млечный Путь — принимает спиралевидную форму. То же происходит и в других сгустках тёмной материи и газа, рассеянных по видимой Вселенной.
Проходит девять миллиардов лет после Большого взрыва — и вот из водорода, гелия и пепла умерших сгоревших звёзд образуется новая, молодая звезда, окружённая планетами.
Ещё через четыре с половиной миллиарда лет третья планета от этой звезды становится единственным местом в известной нам Вселенной, где смогут жить и прекрасно себя чувствовать представители рода человеческого. Они — то есть мы с вами — будут видеть в небесах звёзды, облака газа и пыли, галактики и реликтовое излучение — но не тёмную материю, составляющую большую часть материи Вселенной. Не увидим мы и те части Вселенной, которые настолько далеки от нас, что даже фотоны их реликтового излучения ещё не долетели до Земли; а есть, вероятно, и такие части Вселенной, свет от которых вообще никогда не достигнет нашей планеты.
Расширение Вселенной
Изучая ночное небо с помощью 100-дюймового телескопа, установленного на горе Вилсон в Калифорнии, американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что некоторые туманности — неясные скопления светящихся точек в небе — на самом деле галактики, подобные нашему Млечному Пути (хотя самых разных размеров), и каждая из них содержит миллиарды и миллиарды звёзд. И ещё Хаббл обнаружил поразительный факт: другие галактики удаляются от нас и, чем они дальше, тем выше их скорость. Внезапно оказалось, что наша Вселенная гораздо, гораздо больше, чем принято думать. Вселенная расширяется: расстояния между галактиками со временем увеличиваются. Можно представить себе Вселенную как поверхность воздушного шара, на котором кто-то нарисовал кружочки — галактики. Если надувать шар, то эти галактики раздвигаются в разные стороны, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее растёт расстояние между ними.
КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Горячие небесные тела, например звёзды, излучают видимый свет, но поскольку Вселенная расширяется, звёзды в далеких галактиках удаляются от Земли. Из-за этого их свет, летящий к нам, растягивается, причём тем сильнее, чем быстрее удаляется звезда. Из-за растяжения видимый свет краснеет; это называется космологическим красным смещением.
Вакуумы
Что такое вакуум и какое отношение он имеет к пылесосам?
Вакуум — это пространство настолько пустое, что в нём вообще нет воздуха. Например, если выкачать насосом из комнаты весь воздух, то мы получим вакуум.
Пылесос — это пылеотсасывающее устройство вакуумного действия.
В пылесосе пневматический насос создаёт слабенькое подобие вакуума, помогающее всосать все до одной пылинки. Но это вовсе не тот вакуум, о котором мы сейчас говорим. Для нашего, эксперимента потребовался бы несравненно более мощный насос.
В лучевых трубках Большого адронного коллайдера создан вакуум наподобие космического: в нём совершенно нет молекул газа!
Удалить из комнаты все частицы воздуха не так-то просто.
Но даже если в комнате вообще нет атомов, она всё равно содержит излучение:
• инфракрасные фотоны, испускаемые тёплыми стенами комнаты
• радиофотоны от телепередатчиков
• микроволновые фотоны, оставшиеся от Большого взрыва
• другие частицы, залетающие из космоса (например, нейтрино, испускаемые Солнцем)
• и даже тёмную материю!
А если бы мы сумели убрать это излучение, охладив тёплые стены? Тогда наша комната стала бы совсем пустой — более пустой, чем космическое пространство между галактиками! Однако в ней всё равно кое-что осталось бы. Это «кое-что» — квантовые поля, то есть то, что остается, когда уже нет фотонов, нейтрино, электронов и всех остальных частиц. Состояние квантовых полей, обладающее минимальной энергией, физики, называют вакуумным состоянием; именно в этом состоянии, без каких бы то ни было наблюдаемых частиц, и пребывала бы наша воображаемая комната.
Но если бы мы могли как следует всмотреться, то разглядели бы крошечную рябь в пространстве-времени и гравитации — гравитационные волны.
Словом, нам может показаться, что, выкачав из комнаты, молекулы воздуха, мы полностью её опустошили, но на самом деле это не так!
Если добавить в вакуумное состояние энергию (физики сказали бы — возбудить вакуум), то в нём появятся частицы (и античастицы). Считается, что такой вакуум — состояние с минимальной энергией. Могут быть и другие вакуумные состояния, с другой энергией — если их возбудить, они породят знакомые нам виды частиц. Возможно, что, в ранней Вселенной, когда температура была намного выше, пространство в течение некоторого времени существовало в состоянии ложного вакуума, с более высокой энергией, и его частицы сегодня показались бы экзотическими. Когда же температура снизилась, этот ложный вакуум должен был прийти в состояние нынешнего вакуума с низкой энергией. Истинный вакуум — это вакуум, действительно обладающий минимальной возможной энергией.
Нет ни малейшего основания полагать, что какой бы то ни было земной эксперимент способен ввергнуть нас в состояние какого-то иного вакуума!
Пространство-время и относительность
Четырёхмерное пространство-время
Когда мы хотим отправиться в какое-то место на Земле, мы обычно представляем себе это место в двух измерениях — север-юг и восток-запад. По этому принципу устроены географические карты. Мы постоянно пользуемся двумерными направлениями. Как куда-нибудь дойти или доехать? Вперёд или назад, влево или вправо. Это потому, что поверхность Земли двумерна.
А вот пилот самолёта, выбирая направление, не привязан к поверхности Земли! Самолёт может лететь ещё и вверх или вниз; следовательно, к его положению относительно поверхности Земли добавляется ещё и высота над этой поверхностью, то есть к двум измерениям добавляется третье. Когда лётчик ведёт самолёт, направление «на север», или «на восток», или «вверх» будет зависеть от местонахождения самолёта. «Вверх», например, означает «дальше от центра Земли», поэтому «вверх» над Австралией и «вверх» над Великобританией — это совершенно разные направления!
То же можно сказать и про командира космического корабля далеко-далеко от Земли. Командир корабля может перемещаться в трёх измерениях куда пожелает — но этих направлений всегда будет три, потому что космическое пространство, в котором существуем мы, наша Земля, наше Солнце, звёзды и все галактики, — это пространство трёхмерно.
И, конечно же, когда хочешь куда-то попасть, например на день рожденья друга или на футбольный матч, то мало знать, где состоится это мероприятие, — надо ещё знать, когда. Таким образом, любое событие в истории Вселенной должно иметь четыре координаты: три пространственных и одну временную. Поэтому, описывая Вселенную и всё, что в ней происходит, мы оперируем понятием четырёхмерного пространства-времени.
Относительность
Частная теория относительности Эйнштейна гласит, что законы природы, в том числе скорость света, должны быть одними и теми же вне зависимости от того, с какой скоростью движется наблюдатель. Легко убедиться, что два человека, которые перемещаются относительно друг друга, придут к разным выводам о расстоянии между двумя событиями: например, два события, которые происходят в одном и том же реактивном самолёте, для наблюдателя на Земле будут разделены расстоянием, которое преодолел самолёт в промежутке между этими событиями. Поэтому если наблюдатель в самолёте и наблюдатель на Земле решат измерить скорость светового сигнала, летящего из хвоста самолёта к его носу, то расстояние, пройденное светом с момента подачи сигнала до момента его поступления в нос самолёта, получится у них разным. А поскольку скорость — это расстояние, делённое на время, они также разойдутся в вопросе о том, сколько времени прошло между подачей и приёмом сигнала, — если эти наблюдатели сходятся в вопросе о скорости света (а в нём, согласно теории Эйнштейна, они как раз сходятся!).