От Большого взрыва до наших дней
Давайте отметим на временной шкале все, что на момент написания этой книги известно об истории нашей Вселенной, от Большого взрыва до настоящего времени. Под нашей Вселенной я понимаю то, что мы сегодня можем увидеть в телескоп, и то, что мы можем заключить из этих наблюдений о прошлом этой Вселенной. Мы рассмотрим будущее в следующем разделе и возможность существования других вселенных — в следующей главе.
Поскольку наши нынешние знания из области физики, основанные на экспериментах с ускорителями, доходят «всего лишь» до момента 10-12 с после Большого взрыва, мы можем в лучшем случае гадать о более ранних временах. Впрочем, наши предположения вовсе не будут пустыми домыслами, если мы выстроим их на надежном фундаменте существующих знаний.
Читатель должен помнить, что я не претендую на описание того, что действительно существует в некой абсолютной метафизической реальности. Как я уже подчеркивал, моя философская позиция такова, что мы не можем достичь точного знания об этой реальности. Все, что мы можем, — это делать как можно больше наблюдений и описывать их с помощью математических моделей. Они основываются на близких человеку понятиях, определенных операционально, таких как время, пространство и температура. Далее приводится именно такое описание, где температуры приведены в электрон-вольтах. Не забывайте, что это упрощенная модель и наверняка не окончательная ее версия.
10-43 с, 1028 эВ. Планковское время. В планковское время наша Вселенная была пустой сферой планковских размеров — 10-35 м. Любая модель, которая стремится описать пустую вселенную в понятных человеку терминах пространства и времени, максимально симметрична. Она заведомо будет содержать неявные принципы сохранения, которые люди называют законами, а я обозначил как метазаконы. Не было никакого законодателя, ни естественного, ни сверхъестественного. Эти модели автоматически следуют правилам квантовой механики и относительности, которые сами вытекают из симметрии. В частности, к ним относятся принцип неопределенности и уравнения Фридмана, с помощью которых мы моделируем то, что случилось дальше.
В отсутствие частиц квантовые флуктуации плотности энергии вакуума, или, если вам угодно, кривизна пространства-времени, заставили сферу расширяться и сжиматься. В неизвестный момент времени, который обычно принимают за примерно 10м с, положительная флуктуация оказалась достаточно большой для того, чтобы вызвать инфляцию. Трение в расширяющейся Вселенной, предсказанное моделью, значительно замедлило возвращение к равновесному состоянию, и наша Вселенная экспоненциально расширилась на много порядков.
~10-34 с, 1024 эВ. Конец инфляции (точное время неизвестно). Подобно затуханию колебаний гармонического осциллятора, то же трение остановило инфляцию, и вслед за ней началось почти линейное хаббловское расширение. Первые частицы были образованы из потерянной энергии. Все они были безмассовыми.
В условиях максимальной симметрии силы, посредством которых частицы взаимодействовали, были унифицированы как единая сила. Максимальная симметрия включает в себя суперсимметрию, при которой каждая частица и ее суперпартнер идентичны и имеют нулевую массу.
По мере того как расширяющаяся Вселенная охлаждалась, произошла серия спонтанных (случайных, нерукотворных, непреднамеренных) фазовых переходов, которые нарушили симметрию и дифференцировали разные типы частиц и сил друг от друга. Это был первый этап развития асимметричной структуры во Вселенной. Частицы отделились от античастиц и получили легкое преимущество. Или, точнее говоря, те из них, которые получили преимущество, мы называем частицами, а прочие — «античастицами». Бозоны обособились от фермионов, поскольку суперсимметрия нарушилась. Лептоны дифференцировались от барионов (кварков). Гравитация отделилась от сил, описываемых моделью теории великого объединения (ТВО). Частицы оставались безмассовыми.
Далее, по мере дальнейшего охлаждения, симметрия ТВО нарушилась и сильное взаимодействие отделилось от электрослабого взаимодействия. Глюоны отделились от прочих бозонов. К тому моменту Вселенная состояла из всех частиц и античастиц стандартной модели, причем кварки и глюоны формировали сильно взаимодействующую кварк-глюонную плазму, а остальные частицы свободно перемещались вокруг, разбегаясь друг от друга в весьма плотной среде.
ПРИМЕЧАНИЕ
На большей части временных шкал, которые можно встретить в более ранних книгах и статьях, нарушающие симметрию фазовые переходы изображаются перед инфляцией, поскольку авторы предполагают, что инфлятонное поле представляет собой хиггсовское поле в ТВО (ТВОХ?). Однако это не обязательно так, и эпоха великого объединения и фазовые переходы вполне могли произойти после инфляции, когда уже были частицы, с которыми можно работать.
10-10 с, 100 ГэВ. Нарушение электрослабой симметрии. С этого момента мы можем делать более точные утверждения, поскольку благодаря экспериментам на ускорителях мы уже понимаем физику, действующую в данных условиях. Примерно в это время электрослабое единство стандартной модели было разрушено, а электромагнитное взаимодействие отделились от слабого ядерного взаимодействия. В результате получились четыре различные силы, которые мы можем наблюдать сейчас: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Возник бозон Хиггса и придал массу слабым бозонам и лептонам, тогда как массы фотона и глюона остались нулевыми. Таким образом, слабые силы оказались ограничены радиусом около 10–18 м, а электромагнитные силы по-прежнему действовали на бесконечно больших расстояниях. Кварки также приобрели массу по хиггсовскому механизму, но только частично и в основном благодаря сильным взаимодействиям с глюонами, которые сами по себе оставались безмассовыми и были погребены в кварк-глюонной плазме.
Суперчастицы, отошедшие на второй план после нарушения суперсимметрии, приобрели значительные массы, а самая легкая нейтральная суперчастица, возможно, стала темной материей. Но, как мы видим, в этом сценарии еще не появились суперсимметричные частицы, которые ожидалось обнаружить в БАК, так что остается некоторая неопределенность. Видимо, масса суперчастиц слишком велика, чтобы их можно было зафиксировать в этом коллайдере. Придется подождать, чтобы узнать наверняка.
10-6 с, 1 ГэВ. Кварковый конфайнмент. Когда температура Вселенной понизилась примерно до 1 млрд. эВ, кварки и глюоны сформировали нуклоны и множество составных адронов, которые были открыты на ускорителях частиц в 1960–1970-х. Большинство из них оказались очень короткоживущими и распались, остались только протоны и нейтроны со своими античастицами, наряду с электронами, позитронами и фотонами. Все это находилось в квазиравновесном состоянии.
Примерно в то же время антинуклоны и нуклоны аннигилировали, оставив лишь одну миллиардную от первоначального числа протонов и нейтронов. Фотоны и лептоны преобладали.
1 с, 1 МэВ. Синтез легких ядер. Нейтрино рассеялись, образовав космический нейтринный фон. Начали формироваться легкие ядра. Все свободные нейтроны были включены в ядра или разложились на протоны, антинейтрино и электроны.
10 с, 100 кэВ. Аннигиляция позитронов. Позитроны и электроны аннигилировали, оставив лишь один из миллиарда электронов.
3 мин, 25 кэВ. Господство излучений. Ядерный синтез прекратился. Энергетическая плотность фотонов превысила таковую плотность у ядер, и излучения стали преобладать. Вселенная была непрозрачной, поскольку фотоны плавали в заряженной плазме из ядер и электронов, с которыми они взаимодействовали, как это происходит в плотном тумане.
60000 лет, 1 кэВ. Господство материи. Плотность ядер превысила плотность фотонов, и преобладание перешло от излучений к материи. Вселенная остается непрозрачной.
380 000 лет, 700 эВ. Рассеяние фотонов. Формируются атомы (рекомбинация), фотоны рассеиваются, и Вселенная становится прозрачной. Небо ярко-оранжевое и становится краснее по мере того, как Вселенная охлаждается. Начинает накапливаться атомное вещество, а также темная материя.
5 млн. лет, 0,01 эВ. Начинаются Темные века. Вселенная охладилась настолько, что фоновое излучение находится далеко за границами видимого спектра, и небо становится темным.
200 млн. лет, 0,002 эВ. Начинается образование звезд. Формируются первые звезды, и Темные века заканчиваются. Звезды намного больше Солнца и не содержат тяжелых элементов, поэтому они быстро сгорают и получается много сверхновых, которые синтезируют более тяжелые элементы. Излучение сверхновых заново ионизирует пространство и делает его слегка туманным, но даже и близко не настолько, как в Темные века. Свет все еще может проходить насквозь, хотя и несколько приглушается. Активные галактики, например квазары, тоже могли начать формироваться, усиливая ионизирующее излучение.
~1 млрд. лет, 0,001 эВ. Образование галактик. Формируются галактики. В них часто происходят столкновения и есть сверхновые, которые продолжают распространять в космосе тяжелые элементы, которые, в свою очередь, становятся ингредиентами для следующего поколения звезд. Эти звезды менее массивны и горят медленнее, подобно современным звездам. Образование активных галактик замедляется.
~6 млрд. лет, 4?10-4 эВ. Образование кластеров. Более плотные области начинают сжиматься и образуют всевозможные структуры галактических скоплений и сверхскоплений.
~7 млрд. лет, 4?10-4 эВ. Начинается ускорение. До этого времени расширение Вселенной замедлялось из-за преобладания материи и излучения, подверженных гравитационному притяжению. Однако их плотность падала, в то время как плотность темной энергии оставалась постоянной. Теперь ее плотность больше остальных, и поскольку ей свойственно отрицательное давление, то расширение Вселенной понемногу начинает ускоряться.
~8 млрд. лет, 3?10-4 эВ. Появляется привычная Вселенная. Формируются первые спиральные галактики.
9,1 млрд. лет, 3,2?10-4 эВ. Образуется Солнечная система. Формируются наше Солнце и планеты.
13,8 млрд. лет, 2,6?10-4 эВ. Настоящее время.