Вселенная в электроне
Шрифт:
В поисках новой «теории мира»
Первый существенный шаг в усовершенствовании теорий Фридмана сделал американский физик Алан Гут. Он обратил внимание на то, что если Вселенная будет расширяться таким образом, что плотность ее массы все время останется постоянной, то формулы общей теории относительности приводят к выводу: скорость расширения будет расти пропорционально размеру Вселенной. Чем больше Вселенная, тем быстрее она «распухает». Такой процесс происходит настолько быстро, что Вселенная почти мгновенно, всего лишь за 10– 32 секунд, раздувается от микроскопического зернышка до чудовищного «пузыря» с радиусом на много-много порядков больше видимой части Вселенной.
Представьте себе арбуз, который мгновенно распухнет до
Можно предположить, что подобно тому как это происходит с расширяющимся газом, температура расширяющейся Вселенной резко упадет, и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы «обычного» вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по стандартному сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) — лишь ничтожно малая ее доля. Настолько малая, что геометрический квант занимает в ней несравненно больше места, чем она сама в раздувшейся Вселенной.
Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядит весьма «сумасшедшим» (разве может быть вещество, которое не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале «эры быстрого раздувания» — этот термин сегодня используют все астрономы и физики — Вселенная могла быть такой маленькой, что в результате перемешивания и многочисленных взаимодействий ее частей в ней успело установиться равновесие — однородное распределение температуры, плотности и других свойств, как это и наблюдается сегодня. Этого не могло бы произойти, если бы на всех этапах своего развития Вселенная описывалась теорией Фридмана. Обратный пересчет с помощью ее формул приводит к выводу, что радиус Вселенной всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой, — край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Как будто вы бежите по платформе, которая движется быстрее вас, и вы никогда не добежите до ее края — она все время уходит из-под ваших ног. Другое дело — модель Гута. Там видимая нами часть Вселенной образуется путем фридманского распухания крошечного участка уже раздувшейся Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.
Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающее малая точка в масштабах всей Вселенной, а на малых расстояниях кривизна не заметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.
Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах «Биг Бэнга», значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов, разбросаны по огромному объему раздувшейся Вселенной, и вероятность найти их в ее видимой части неизмеримо мала.
Как видим, концы с концами теперь сходятся. Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью… Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Когда тело увеличивает свои размеры, его масса распределяется по большему объему, расстояния между его частями увеличиваются, а плотность всегда уменьшается. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову — расширяться, не изменяя своей плотности! Пожалуй, только пустое пространство — вакуум — обладает необходимым свойством.
Стоп… Вот тут-то, по-видимому, и скрыт ответ. Мы уже знаем, что вакуум — это не просто мертвая пустота. Это — пространство, заполненное массой рождающихся и быстро исчезающих, аннигилирующих, частиц, то есть определенное состояние материи. Не похожее на газ, жидкость или твердое тело, но тем не менее это нечто физически ощутимое, изменяющее свои свойства в зависимости от условий. Пространство только издали выглядит пустым и безжизненным, вблизи же, при большом увеличении, оно оказывается заполненным бурлящими «воронками» мгновенных микровзрывов, в которых беззвучно рождаются и исчезают частицы.
Первый миг после рождения
В этот исчезающе малый отрезок времени как раз и происходило становление вакуума. Чтобы понять, как это было, вспомним о хиггсонах — семействе элементарных частиц, — которые предсказываются всеми теориями, объединяющими электромагнитные силы с другими типами взаимодействий. Пока не известны ни масса, ни другие свойства этих частиц, все это зависит от варианта теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Но все варианты предсказывают, что хиггсоны взаимодействуют между собой напрямую, без посредства других типов частиц. Такое самодействие, соответствующий ему «смог» и определяют основные свойства вакуума, в том числе и его энергию. В зависимости от того, как взаимодействуют хиггсоны, вакуум может находиться в различных состояниях, подобно тому как, например, углерод может пребывать в состоянии графита или в состоянии алмаза. И вот что важно: увеличение числа хиггсонов приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой «уровень» мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.
Так вот, расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам теоретиков это произошло где-то на уровне 10– 35 секунд. В это время она была еще чрезвычайно горячей, и происходившие в ней физические процессы управлялись законами единого нерасщепленного взаимодействия. Как говорит теория, хиггсоны при этих условиях распадались, едва успев образоваться. Они становятся устойчивыми только тогда, когда «сильная» компонента единого взаимодействия отличается от остальных; если же различные типы сил равноправны, хиггсонов в пространстве практически нет.
Опустевшая Вселенная мгновенно начала раздуваться, увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры быстрого раздувания она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и, соответственно, выпадением (кристаллизацией) огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов. Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной (плавающей в вакууме) массы подскочила на сотню порядков — увеличилась в 10100 раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. Каких только чудес не открывает физика!
Это весьма грубая картина того, что происходило в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве.
Продолжительность эры быстрого раздувания составляла всего 10– 32 секунд — трудно вообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной. И подобно тому как это всегда происходит при выделении из расплава твердого вещества, рождение частиц сопровождалось выделением тепла (вспомним, как мы радуемся повышению температуры, когда на улице идет снег и мороз сменяется мягкой погодой!). К концу эры быстрого раздувания Вселенная снова раскалилась настолько, что родившиеся частицы расплавились в кварк-глюониую плазму. Образовался огромный шар раскаленного вещества. Это как раз и есть тот горячий «праисторический мир» Гамова, в котором при дальнейшем уже сравнительно медленном расширении Вселенной по стандартному фридмановскому сценарию «сварилось» окружающее нас вещество.