Нил Тайсон - История всего

Воодушевленные относительно успешным объединением квантовой механики и электромагнетизма в середине XX века физики постепенно занялись объединением квантовой механики и общей теории относительности в единую стройную теорию квантовой гравитации. Хотя у них пока ничего путного не вышло, мы уже знаем, когда произошло все самое интересное: во время так называемой планковской эпохи. Она описывает стадию развития космоса вплоть до 10–43 секунд (это одна десятимиллионо-миллиардно-миллиардно-миллиардная доля секунды) от начала времен. Так как информация никогда не путешествует быстрее скорости света (3 х 108 м/с), гипотетический наблюдатель, расположившийся где угодно во Вселенной во время планковской эпохи, смог бы увидеть не далее чем на 3 х 10-35 м вокруг себя (это три стомиллиардно-миллиардо-миллиардных метра). Немецкий физик Макс Планк, в честь которого и были названы эти с трудом вообразимые времена и расстояния, выдвинул гипотезу о квантовой энергии в 1900 году. Сегодня Планк — главный кандидат в общепризнанные отцы квантовой механики.

Однако с точки зрения повседневной жизни волноваться совершенно не о чем. Разногласия квантовой механики и силы тяготения не представляют собой практических проблем современной Вселенной. Астрофизики используют принципы и инструменты общей теории относительности и квантовой механики в работе над совершенно разными категориями задач. Однако в самом начале, в планковскую эпоху, большое было одновременно и малым, значит, должен существовать какой-то способ, пусть даже поневоле, реабилитировать отношения этой семейной пары. Да, как ни печально, клятвы, произнесенные тогда у космического алтаря, нам пока узнать не удается, и потому ни один из известных нам законов физики не описывает достаточно убедительно, что же происходило во время краткого медового месяца Вселенной — до того, как ее расширение заставило большое и малое разойтись навсегда.

В конце планковской эпохи гравитация умудрилась отделиться от остальных, все еще объединенных сил природы и обрести независимые характеристики, которые замечательно описаны наших сегодняшних теориях. Когда Вселенной исполнилось 10-35 секунд, она продолжила расширяться и остывать, и то, что оставалось от когда-то единой силы, постепенно разделилось на электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Еще чуть позже электрослабое взаимодействие поделилось на электромагнитное и слабое ядерное. Вот вам и четыре фундаментальных, хорошо знакомых взаимодействия: слабое управляет ядерным распадом, сильное удерживает вместе частицы атомного ядра, электромагнитное связывает отдельные атомы в целые молекулы, а гравитация помогает веществу образовывать крупные формы и структуры. К тому моменту, как Вселенной исполнилась одна миллиардная доля секунды, ее таинственно эволюционировавшие взаимодействия (а также еще несколько ключевых элементов) уже успели наделить космос своими фундаментальными свойствами, каждое из которых заслуживает отдельной книги.

Пока тянулась та бесконечная, первая в истории Вселенной одна миллиардная доля, секунды, взаимодействие вещества и энергии не прекращалось. Незадолго до того, как сильное и электрослабое взаимодействия разделились (а также во время этого деления и после него), Вселенная состояла из кипящего океана кварков, лептонов и их сестер-античастиц, а также бозонов — частиц, которые помогали всем им взаимодействовать друг с другом. Исходя из данных, которыми мы обладаем сегодня, ни одно из этих семейств частиц не делится на что-либо еще меньшее по размеру (или «более базовое»). Однако при всей их фундаментальности в каждое из семейств, в свою очередь, входят несколько видов частиц. Фотоны — включая те, что представляют собой видимый свет, — относятся к семейству бозонов. Наиболее известные обывателю (но не физику!) лептоны — это электроны и, пожалуй, нейтрино, а самые общеизвестные кварки… на самом деле таких нет, потому что в повседневных условиях вы не встретите кварков самих по себе, они всегда формируют собой какие-то другие частицы, например протоны и нейтроны. Каждому виду кварков было дано абстрактное название, не имеющее никакой филологической, философской педагогической подоплеки. Единственная цель этих названий — помочь различать отдельные виды кварков: верхний кварк (u-кварк) и нижний кварк (d-кварк), странный (s-кварк) и очарованный (c-кварк), истинный (t-кварк) и прелестный (b-кварк)[6].

Кстати, бозоны называются именно так в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. Слово «лептон» происходит от греческого leptos — «легкий», «малый». У слова «кварк» происхождение названия имеет гораздо более художественный, даже литературный характер. Американский физик Мюррей Гелл-Ман, выдвинувший гипотезу о существовании кварков в 1964 году и в том числе предположивший, что в семействе кварков есть только три члена, выбрал них имя из одной довольно туманной строки романа «Поминки по Финнегану» писателя Джеймса Джойса, где герой восклицает: «Три кварка Мастера Марка!»[7] У кварков есть одно преимущество — у всех очень простые названия; химикам, биологам и геологам следовало бы поучиться у физиков тому, как давать изучаемому простые и удобные названия, а то они вечно мудрят с терминологией.

Кварки — довольно ловкие ребята. В отличие от протонов, каждый из которых обладает электрическим зарядом +1, и электронов с зарядом -1 каждый, кварки наделены дробными зарядами, кратными одной третьей. За исключением самых экстремальных условий вам никогда не встретить кварк, который гуляет сам по себе: он всегда крепко держит за руку еще кварк-другой. Более того, сила, которая удерживает кварки рядом, только растет, когда вы пытаетесь разделить их, — словно они заключены в какое-то субъядерное эластичное кольцо, не дающее им расстаться. Правда, если все же развести их достаточно далеко, это «кольцо» лопнет. Энергия, высвобожденная при его разрыве, вспоминает о формуле E = mc2 и приводит к созданию нового кварка на конце каждой половинки «кольца», за которые вы тянули… И все можно начинать сначала.

В эпоху кварков и лептонов, длившуюся первую миллиардную долю секунды в жизни космоса, Вселенная была достаточно плотной для того, чтобы разъединение свободных кварков в среднем существенно не отличалось от разъединения связанных кварков. В данных условиях было невозможно установить однозначные связи между соседними кварками, поэтому они просто свободно перемещались мимо друг друга. Экспериментальное обнаружение такого состояния вещества, которое по понятным причинам было названо кварковым бульоном, впервые было объявлено в 2002 году командой физиков Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, Нью-Йорк).

Наблюдения и теория вкупе позволяют предположить, что некое происшествие в самом начале после рождения Вселенной (возможно, в момент выделения из единого силового поля каких-то типов взаимодействия) наградило космос примечательной асимметрией: количество частиц вещества превысило количество частиц антивещества примерно на одну на миллиард. Сегодня вы и я существуем именно по этой причине. Эту крошечную разницу никто бы с ходу и не заметил в период бесконечного создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (помните, они называются позитронами?), нейтрино и антинейтрино. В ту эпоху столь незначительного, казалось бы, преобладания вещества над антивеществом у этого самого «третьего лишнего» (а точнее, у «миллиард первого» лишнего) было множество возможностей встретиться еще с какой-нибудь частицей и аннигилировать. Да что там — все так и делали!

Но этому пришел конец. Вселенная продолжала расширяться и остывать, ее температура стремительно опускалась ниже 1 миллиарда градусов по шкале Кельвина. С начала всех начал на этот момент прошла одна миллионная доля секунды, но в этой умеренно теплой Вселенной температуры и плотности вещества было уже недостаточно того, чтобы изготавливать новые кварки. Все кварки быстренько нашли себе по партнеру, создавая собой новое семейство тяжелых частиц, которые называются адронами (от греческого hadros — «плотный»). В результате перехода от просто кварков к адронам произошли протоны и нейтроны, а также другие, менее известные виды тяжелых частиц, представляющие собой различные комбинации кварков. Легкое неравновесие в объеме вещества и антивещества в этом кварко-лептоновом бульоне передалось адронам… и последствия этого просто невероятны.

Вселенная продолжала охлаждаться, и количество энергии, доступное для спонтанного зарождения частиц, продолжало падать. Во время адронной эпохи фотонам уже не хватало сил на то, чтобы создавать пары «кварк — антикварк» по предписанию формулы E = mc2: величина их энергии E была ниже, чем значение mc2. Вдобавок ко всему те фотоны, что остались в живых после всех многочисленных аннигиляций, продолжали терять энергию, отдавая ее расширяющейся Вселенной. Их энергия упала ниже уровня, необходимого создания пар «адрон — антиадрон». После каждого миллиарда аннигиляций на поминках остался пировать миллиард фотонов и лишь один-единственный адрон — немое свидетельство былой асимметрии между веществом и антивеществом. Рано поздно этим одиноким адронам доведется, образно выражаясь, оторваться на полную катушку: они станут сырьем формирования галактик, звезд, планет — и человечества.