Пять возрастов Вселенной

Излучение, существовавшее в самом начале, остается с нами по сей день. Оно образует море протонов, которое заполняет все космическое пространство и называется космическим фоновым излучением [2]. Сегодня это фоновое излучение содержит гораздо меньше энергии, чем в отдаленном прошлом. Его фактическая температура упала до холода в 2,7 градусов выше абсолютного нуля. Однако в самые первые мгновения это фоновое излучение было крайне ярким и горячим. Впоследствии из-за расширения Вселенной некогда сильный фоновый свет был растянут до миллиметровых микроволн. Домна прошлого превратилась в низкоэнергетическую микроволновку.

Когда Вселенной всего одна микросекунда, мы погружены в необъятное море излучения с относительно малой примесью кварков и других частиц. Кварки состоят как из обычного вещества, так и из антивещества, с небольшим избытком первого. На каждые тридцать миллионов кварков, состоящих из антивещества, в запасе Вселенной имеется тридцать миллионов и один кварк, состоящих из вещества. По мере развития и охлаждения Вселенной кварки и антикварки аннигилируют друг с другом. По завершении этого процесса остается лишь крошечная доля избыточного вещества. Этот, на первый взгляд, незначительный остаток, в конечном итоге, образует все вещество, которое мы видим во Вселенной сегодня: галактики, звезды, планеты, тебя, читатель, и меня.

По мере аннигиляции кварков и антикварков оставшиеся кварки начинают собираться в протоны и нейтроны. По прошествии примерно тридцати микросекунд свободных кварков уже не остается. В силу того что во Вселенной все еще безраздельно царит излучение (фотоны), а не материальные частицы, это изменение в реестре ее частиц вряд ли хоть сколько-нибудь ее беспокоит, и расширение неумолимо продолжается.

Далее, по мере того как Вселенная продолжает остывать, протоны и нейтроны начинают сливаться, образуя ядра гелия и других легких элементов. Этот процесс начинается, когда Вселенной исполняется около одной секунды, и довольно резко прекращается через несколько минут. Большая часть существующего сегодня гелия образовалась в этой ранней вспышке ядерной активности. Более тяжелые ядра, например, углерода и кислорода — элементов, обеспечивающих сырье для жизни, — пока что образоваться не могут. Вселенная расширяется слишком быстро, чтобы большие ядра могли объединиться. Для этого у них слишком мало времени, да и плотность Вселенной недостаточно высока. Тяжелые элементы образуются гораздо позднее в плотных центрах звезд и во вспышках сверхновых, отмечающих гибель массивных звезд.

После образования легких элементов содержимое Вселенной претерпевает значительные перемены. Это пополнение запасов реестра частиц — второе такое событие за первые несколько минут существования времени. Излучение продолжает господствовать во Вселенной, будучи основной ее составляющей. А расширение продолжается.

Инфляция

Как мы уже отмечали, в самые первые мгновения истории космоса Вселенная вступила в короткую, но напряженную фазу невероятно быстрого расширения. По окончании этого периода расширения, происходившего со скоростями, превышающими скорость света, размер Вселенной увеличился в огромное число раз: возможно, в миллион триллионов триллионов (10 ³⁰). По завершении этой, хотя и короткой, но изменившей Вселенную, эпохи космос немного успокоился, перейдя в состояние более монотонного расширения. Как и почему произошла эта инфляция?

Расширение Вселенной, распространенность легких элементов и существование поля космического фонового излучения объясняет традиционная теория Большого взрыва. Эта теория обладает еще одним преимуществом: она очень проста и изящна математически. Однако в своем первоначальном виде теория Большого взрыва не дает полного объяснения Вселенной. К счастью, многие из оставшихся свойств нашей Вселенной, а именно: ее большой размер, ее плоскостность и крайнюю однородность, — можно объяснить с помощью всего одной модификации. Эту дополнительную теорию, носящую название теории инфляции, выдвинул Алан Гус, который сейчас работает профессором в МТИ. Его плодотворный труд — The Inflationary Universe(«Инфляционная Вселенная») — произвел переворот в космологических исследованиях.

Процесс инфляции легко объясняет, почему наша Вселенная такая большая и такая однородная. Инфляция также приводит геометрию пространства-времени к той степени плоскостности, которую мы наблюдаем сегодня в космосе. Основная идея инфляции проста: в очень ранний момент своей истории размер Вселенной внезапно увеличился в огромное число раз. Чтобы эволюционировать во Вселенную, напоминающую нашу собственную, со свойствами, которые мы наблюдаем сегодня, первичная Вселенная должна была увеличиться, как минимум, в 10 ²⁸раз. Чтобы хоть как-то представить себе всю необъятность этого числа, вспомните, что размер современной видимой Вселенной составляет около 10 ²⁸сантиметров. Так что инфляция подобна раздуванию одной гальки до размеров всей нашей видимой Вселенной, или даже больше, за крошечную долю секунды. Такое крайне быстрое расширение происходит, если в общей плотности энергии Вселенной доминирует плотность энергии вакуума. Этот достаточно таинственный тип энергии обладает любопытным свойством отрицательного давления. Если в общей энергии Вселенной доминирует энергия вакуума, отрицательное давление будет стимулировать постоянное увеличение скорости расширения. Это ускоряющееся расширение может раздуть Вселенную в огромное количество раз, которое необходимо, чтобы объяснить ее свойства.

На первый взгляд, концепция плотности энергии вакуума выглядит как терминологическое противоречие. Мы привыкли считать, что вакуум — это абсолютная пустота. Как же может нечто, будто бы пустое, вообще иметь энергию, не говоря уже о преобладании плотности этой энергии над всей остальной энергией Вселенной? На фундаментальном уровне вакуум должен подчиняться квантово-механическому описанию, а это означает, что на самом деле вакуум совсем не пуст. Вакуумом правит принцип неопределенности Гейзенберга, который назван в честь Вернера Гейзенберга, пионера квантовой механики. Эта фундаментальная концепция квантовой механики возникает из-за волновой природы физической реальности на малых расстояниях и приводит к возможности существования энергии вакуума.

Рассмотрим, например, электрон. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что невозможно одновременно измерить как импульс частицы, так и ее положение с произвольно высокой степенью точности. Поскольку нельзя точно измерить одновременно импульс и положение, неопределенности в значениях этих величин невозможно свести к минимуму в одно и то же время. Другими словами, сумма неопределенностей должна превышать некоторое число, обыкновенно обозначаемое h. Величина h— это фундаментальная постоянная природы, называемая постоянной Планка. Аналогичный закон гласит, что невозможно одновременно свести к минимуму неопределенность в измерении энергии и неопределенность в измерении времени. Из этого принципа неопределенности следует одна важная вещь: в природе закон сохранения энергии может нарушаться при условии, что сей криминальный акт несохранения происходит в течение достаточно короткого времени.

Постоянная hпочти исчезающе мала, если ее рассматривать с перспективы повседневной жизни. Наблюдая за машиной, едущей по улице, вы без проблем можете определить как ее положение, так и ее скорость. Внутренняя неопределенность, связанная с принципом Гейзенберга, никак не влияет на стремление к точности при обычных измерениях (порядка одного дюйма при определении положения машины и одной мили в час при определении скорости).

Принцип неопределенности имеет важные следствия для концепции вакуума. С точки зрения квантовой механики, вакуум, в действительности, не может быть пустым. Вообразите область пространства, лишенную вещества, область, которую в обычных условиях мы сочли бы «пустой». Из-за принципа неопределенности это якобы пустое пространство заполнено частицами, которые рождаются и почти мгновенно умирают. Энергия, необходимая для образования таких частиц, берется из вакуума и быстро возвращается назад, после того как частицы аннигилируют друг с другом и вновь возвращаются в ничто. Эти частицы называют виртуальными, потому что у них нет реальной жизни. Время их жизни «взято взаймы», и они всегда аннигилируют сразу же после своего спонтанного появления из вакуума. Из-за спонтанного образования этих виртуальных частиц пространство, пустое во всех других отношениях, кишит этими призрачными объектами. И эти виртуальные частицы могут наделять вакуум реальной энергией, которой, в противном случае, он не имел бы. Таким образом, квантовое поведение естественным образом приводит к тому, что пустое пространство может обладать энергией.