, которая составляет 5 × 1093 г/см3. Именно такова может быть плотность сингулярности в недрах черной дыры, пока сингулярность не начнет размазываться под действием квантовых эффектов. Именно на планковских масштабах квантовая механика начинает доминировать над общей теорией относительности и, как упоминалось выше, единой теории квантовой гравитации у нас пока нет. Поэтому планковская шкала (в единицах длины или времени) – это предел, за которым реальность в настоящее время непостижима.
Планковское время 5,4 × 10–44 с – это кратчайший период, который можно измерить, и самый ранний момент в истории Вселенной, о котором можно говорить. Как я уже рассказывал, наша Вселенная могла быть всего одним пузырьком (пятном) в инфлюирующей воронке, одной из ветвей в бесконечном фрактальном дереве Вселенных, слагающих Мультивселенную, которая может быть сколь угодно древней. Но я отсчитываю время с момента формирования нашего пузырька. В табл. 24.1 перечислено, что происходило в каждую эпоху.
По окончании инфляции (10–35 с) состояние вакуума, наполнявшее юную Вселенную высокоплотной темной энергией, распадается с образованием теплового излучения. Это излучение очень горячее, и в нем не только фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), но и кварки, антикварки, электроны, позитроны, мюоны, антимюоны, таоны (утяжеленный аналог мюона), антитаоны, нейтрино, антинейтрино, глюоны (переносчики сильного ядерного взаимодействия), X-бозоны (гипотетические частицы, существование которых предполагается в некоторых теориях; якобы они распадаются асимметрично и из-за этого в современной Вселенной вещества настолько больше, чем антивещества), W- и Z-частицы (переносчики слабого взаимодействия), бозоны Хиггса (это частица, связанная с полем Хиггса, которое наделяет частицы массой) и гравитоны (переносчики гравитационного поля – аналогичные фотонам, которые являются переносчиками электромагнитного поля). Если теория суперсимметрии верна, то для каждой из вышеперечисленных частиц должна существовать суперсимметричная частица-партнер.
Кратко расскажу о гравитонах. Эйнштейн обнаружил, что одним из решений общей теории относительности являются гравитационные волны, рябь в геометрической структуре пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света. Аналогично, Максвелл до него обнаружил, что электромагнитные волны, распространяющиеся в пустом пространстве со скоростью света, – это решение его уравнений поля в случае электромагнетизма. Косвенные подтверждения существования гравитационных волн (которые должны состоять из гравитонов) получены при наблюдениях двойного пульсара Тейлора и Халса, две компоненты которого движутся по все сильнее сжимающейся спиральной орбите. Именно это и прогнозировал Эйнштейн: гравитационные волны должны возникать при подобном вращении нейтронных звезд.
Таблица 24.1. Эпохи в истории Вселенной
14 сентября 2015 года в рамках эксперимента LIGO впервые удалось непосредственно обнаружить гравитационные волны. Лазерный интерферометр с исключительной точностью (до 1/1000 диаметра протона) измерил расстояние между парами зеркал и зафиксировал колебание расстояний между ними, обусловленное прохождением гравитационной волны. Как же примечательно, что гравитационные волны теоретически предсказал Эйнштейн, а открыты они были при помощи лазера – и принцип лазера тоже описал Эйнштейн. Источником этих гравитационных волн оказались две черные дыры, одна в 29 солнечных масс, другая в 36, по спирали сближавшиеся друг с другом и слившиеся с образованием новой черной дыры в 62 солнечные массы. Итак, гравитационные волны существуют, и результаты эксперимента согласуются с допущением, что гравитоны движутся со скоростью света. Поскольку гравитация так слаба, нам пока не удалось зафиксировать отдельный гравитон, но ожидается, что такие частицы должны существовать. Ведь гравитационные волны существуют, а они должны обладать корпускулярно-волновым дуализмом, точно так же, как электромагнитные волны и фотоны.
Эпоха, когда по Вселенной стремительно носились все эти частицы, называется кварковым бульоном. Кварки свободно перемещаются в пространстве, не объединяясь в крепкие тройки. Из-за принципа неопределенности в некоторых областях квантовое состояние вакуума распадается чуть раньше, в других – чуть позже, поэтому в тепловом излучении возникают случайные флуктуации.
Такие флуктуации плотности имеют место и на отметке около 10–35 секунд, когда заканчивается инфляция. Они дают начало сгусткам, которые под действием гравитации за следующие 13,8 миллиарда лет постепенно превратятся в галактики и грандиозные скопления галактик, наблюдаемые сегодня. Ячеистая структура распределения галактик, которую мы видим сейчас (рис. 15.4), в которой большие скопления галактик связаны нитями (или цепочками) галактик, называется космической паутиной. Эта паутина сравнима с (невероятно разбухшими) «ископаемыми остатками» тех самых квантовых флуктуаций, происходивших, когда Вселенной было всего 10–35 секунд[42].
По мере расширения Вселенной этот горячий суп остывает, и массивные частицы распадаются на более легкие. Исходно во Вселенной имелось равное количество вещества и антивещества, но считается, что из-за асимметричного распада тяжелых X-бозонов (в пользу вещества, а не антивещества) в продуктах распада вещества оказалось чуть больше, чем антивещества. По мере столкновения и аннигиляции частиц вещества и вещества (из них образовывались фотоны) во Вселенной осталось преимущественно обычное вещество. Галактики, наблюдаемые сегодня, сконденсировались из вещества. Частицы антивещества – редкость в современной Вселенной, они постоянно рискуют столкнуться с одной из многочисленных частиц вещества и аннигилировать. Сегодня частицы антивещества имеют безоговорчное численное превосходство над частицами антивещества.
К 10–6 секундам излучение остыло настолько, что кварки стали связываться друг с другом, образуя протоны и нейтроны. Существует шесть разных ароматов кварков: верхние (u), нижние (d), странные (s), очарованные (c), прелестные (b) и истинные (t)[43]. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего; они удерживаются вместе, обмениваясь тремя глюонами. (Тут есть мнемоническое правило: в нейтроне больше нижних кварков, и слова «нейтрон» и «нижний» начинаются с «н»; в протоне же больше верхних кварков, и слова «протон» и «верхний» содержат в первом слоге букву «р» – латинскую «p».) Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, они также удерживаются вместе тремя глюонами. Верхний кварк имеет электрический заряд +2/3, а нижний – заряд –1/3. Таким образом, электрический заряд протона равен +1, а нейтрон нейтрален, его заряд 0.
На отметке 3 минуты начинается синтез гелия, рассмотренный в главе 15. Вселенная уже остыла настолько, что протоны могут сцепляться с нейтронами и образовывать легкие элементы. Наиболее легкий из распространенных элементов – это водород (протон), но кроме того, синтезируется заметное количество гелия, а также небольшие количества дейтерия и лития. Исследуя именно эту эпоху, Гамов и его ученики спрогнозировали существование РИ.
На отметке 380 тысяч лет Вселенная остывает примерно до 3000 К. К этому моменту электроны могут связываться с протонами и образовывать атомы водорода. Как я уже говорил, этот процесс называется рекомбинацией. Вселенная превращается из электрически заряженной плазмы, состоящей в основном из протонов (+) и электронов (—), в электрически нейтральный газ, преимущественно водород: здесь каждый протон успел захватить себе электрон и образовать электрически нейтральный атом водорода. До наступления этой эпохи фотоны постоянно сбивались с траектории, взаимодействуя с электрически заряженными частицами, то есть протонами и электронами, перемещаясь хаотичной «походкой пьяницы». Далеко улететь такие фотоны не могли, поскольку постоянно сбивались с курса. После эпохи рекомбинации фотоны смогли беспрепятственно пролетать по прямой большие расстояния. Благодаря такому переходу к свободным фотонам, эту эпоху мы уже можем непосредственно наблюдать: от нее и осталось реликтовое излучение.
На отметке 1 миллиард лет должно было начаться формирование галактик. Квазары с большим красным смещением, рассмотренные в главе 16, возникли в молодых галактиках, которые заметны в чуть более ранний период.
Сегодня Вселенной 13,8 миллиарда лет.
К отметке 22 миллиарда лет Солнце покинет главную последовательность звезд и станет белым карликом. Галактика Туманность Андромеды столкнется с галактикой Млечный Путь.
К отметке 850 миллиардов лет Вселенная остынет до постоянной температуры в ходе процесса, описанного Гиббонсом и Хокингом. Как я рассказывал в главе 23, согласно наблюдениям, Вселенная наполнена темной энергией, давление которой равно по величине плотности энергии, но является отрицательным (динамически эквивалентно космологической постоянной Эйнштейна). По мере того как материя во Вселенной становится все более разреженной в результате расширения, а уровень темной энергии тем временем остается прежним, Вселенная все сильнее попадает под влияние темной энергии, и этот процесс продолжится в будущем. Следовательно, геометрия Вселенной в будущем должна напоминать геометрию деситтеровского пространства, пространственно-временную воронку. Она должна вечно расширяться. Две галактики, между которыми сегодня возможна связь, будут все быстрее и быстрее разлетаться в стороны. В конце концов пространство между галактиками станет расширяться так быстро, что свет не сможет преодолеть постоянно растущее расстояние между ними. Возникнут горизонты событий. Далекая галактика будет выглядеть в точности так, словно она падает в черную дыру. Если инопланетяне из далекой галактики пошлют нам сигнал «ДЕЛА ИДУТ ВПОЛНЕ ХОРОШО», то нам покажется, что они послали «ДЕЛА И…Д…У…Т…». Конец сообщения, «ВПОЛНЕ ХОРОШО», мы никогда не получим. События, которые произойдут в далекой галактике в последующие времена, окажутся за пределами нашего горизонта и мы их никогда не увидим (см. рис. 23.2).