Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

Благодаря быстрому развитию техники и новым большим космическим телескопам мы узнаем все новые и удивительные сведения о Вселенной. Мы теперь хорошо представляем себе и будущее поведение Вселенной: она продолжит расширяться со все большей скоростью. Время будет продолжать течь без остановки – во всяком случае, если вы достаточно осторожны, чтобы не упасть на черную дыру. Но что можно сказать о ранней Вселенной? Как Вселенная родилась и что заставило ее расширяться?

Глава 8. Большой взрыв, черные дыры и эволюция Вселенной

Во фридмановской модели Вселенной первого типа четвертое измерение – время – подобно пространству, конечно в своем протяжении. Оно подобно прямой, которую ограничивают две точки. Так что у времени есть конец и есть начало. Действительно, все решения уравнений Эйнштейна с наблюдаемым нами количеством вещества во Вселенной имеют одно общее свойство: в определенный момент времени в прошлом – около 13,7 млрд лет назад – расстояния между соседними галактиками должны были быть равны нулю. Другими словами, вся Вселенная была втиснута в одну точку с нулевым размером – вроде сферы нулевого радиуса. В этот момент времени – он называется Большим взрывом – плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.

Все наши космологические теории формулируются в предположении, что пространство-время является гладким и почти плоским. Это означает, что все наши теории перестают работать в момент Большого взрыва: пространство-время с бесконечной кривизной вряд ли можно назвать почти плоским! Поэтому даже если какие-то события и происходили до Большого взрыва, их нельзя использовать для определения последующего развития событий, потому что любая предсказуемость нарушается в момент Большого взрыва.

Соответственно если мы знаем, что происходило после Большого взрыва – а именно так обстоят дела, – то мы не можем определить, что же происходило до него. События, которые имели место до Большого взрыва, не могут иметь для нас никаких последствий и поэтому не могут быть частью какой бы то ни было научной модели Вселенной. Поэтому их приходится исключить из модели, приняв, что время началось с Большого взрыва. Это значит, что вопросы вроде того, кто же создал условия для Большого взрыва, лежат вне границ науки.

Другая бесконечность, возникающая, если Вселенная когда-то имела нулевой размер, это температура. Считается, что в момент Большого взрыва Вселенная была бесконечно горячей. По мере расширения Вселенной температура излучения снижалась. Поскольку температура это просто мера средней энергии или скорости частиц, то остывание Вселенной должно было очень существенно сказаться на содержащемся в ней веществе. При очень высокой температуре скорости движения частиц были достаточно велики для преодоления взаимного притяжения, вызванного ядерными или электромагнитными силами, но по мере остывания Вселенной под влиянием этого взаимного притяжения частицы начинают объединяться в более крупные структуры. Даже набор типов частиц зависит от температуры и, следовательно, от возраста Вселенной.

Аристотель не верил, что вещество состоит из частиц, а считал его непрерывным. То есть согласно Аристотелю «кусок» вещества можно разделять на все более мелкие фрагменты до бесконечности: мы никогда не дойдем до крупинки, которую нельзя было бы далее разделить. Однако некоторые древнегреческие ученые, например Демокрит, считали, что вещество имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Само слово «атом» в греческом языке означает «неделимый». Теперь мы знаем, что это действительно так, во всяком случае, в нашей окрестности и при современном состоянии Вселенной. Но атомы в нашей Вселенной существовали не всегда, они не являются неделимыми и составляют малую часть всех типов элементарных частиц во Вселенной.

Атомы состоят из более мелких частиц: электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кроме того, каждой из этих элементарных частиц соответствует своя античастица. Античастицы имеют такие же массы, как и соответствующие им частицы. Но при этом у них противоположный заряд и другие свойства. Например, античастицей электрона является позитрон, у которого положительный заряд, противоположный по знаку заряду электрона. Из античастиц могут состоять целые антимиры, но если античастица встречается с частицей, то они взаимно уничтожают друг друга. Так что если вы встретитесь с «антисобой», то не пытайтесь пожать друг другу руки! Вы оба исчезнете в большой вспышке света!

Свет состоит из частиц другого типа – не имеющих массы фотонов. Главным источником фотонов на Земле является расположенная поблизости термоядерная топка Солнца, которое также служит источником огромного количества других частиц – упоминавшихся выше нейтрино и антинейтрино. Эти чрезвычайно легкие частицы очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому миллиардами ежесекундно проходят сквозь вещество, не оказывая на него никакого влияния. Физики открыли десятки элементарных частиц, и за время очень непростой эволюции Вселенной их ассортимент тоже менялся. Именно благодаря этой эволюции стало возможно существование планет вроде нашей Земли и таких существ, как мы.

Спустя несколько секунд после Большого взрыва Вселенная расширилась настолько, что температура ее снизилась до 10 миллиардов градусов по Цельсию. Это примерно в 1000 раз больше, чем в центре Солнца (или при взрыве водородных бомб). В это время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих античастиц вместе с протонами и нейтронами. Энергия этих частиц была настолько велика, что при их столкновениях порождались самые разные пары частица-античастица. Например, при столкновении фотонов возникал электрон вместе с его античастицей – позитроном. Некоторые из этих вновь порожденных частиц сталкивались со своими античастицами и аннигилировали. Каждая встреча электрона с позитроном приводила к аннигиляции обеих частиц, а вот обратный процент проходит не так легко: для того, чтобы две частицы с нулевой массой, такие как фотоны, могли породить пару частица-античастица, такую как электрон и позитрон, сталкивающиеся безмассовые частицы должны иметь энергию не ниже определенного предела. Дело в том, что электрон и позитрон имеют ненулевую массу и эта вновь порожденная масса должна получиться из энергии сталкивающихся частиц. По мере дальнейшего расширения Вселенной и падения температуры столкновения с энергией, достаточной для порождения пар электрон-позитрон, стали происходить реже, чем исчезновение соответствующих пар в результате их аннигиляции. Таким образом, в конце концов большинство электронов и позитронов аннигилировали, породив дополнительные фотоны, и электронов осталось сравнительно немного. Нейтрино и антинейтрино взаимодействуют друг с другом и с другими частицами гораздо слабее, чем электроны и позитроны, и поэтому аннигилируют гораздо медленнее. Стало быть, они должны встречаться и в настоящее время. Если бы мы могли их обнаружить, то это было бы хорошей проверкой описанной выше картины очень