[20]: непоправимо проиграв сражение, нейтрино оставляют поле боя. Колоссальная популяция деликатных и вежливых элементарных частиц прощается с первичной материей, и они начинают бесцельно носиться по Вселенной, храня лишь воспоминания о температуре, которая когда-то у них была общей со всеми другими частицами, до момента окончательного с ними разрыва.
С этого мгновения во Вселенной, все более разреженной, нейтрино уходят от всякого влияния со стороны всей остальной материи, и они больше никогда не вернутся к тому тесному союзу, что был с ней изначально. Они будут бесконечно скитаться миллиарды лет, присутствуя при рождении звезд и галактик, проникая сквозь самые протяженные скопления вещества со своей обычной несравненной деликатностью, оставаясь практически незаметными.
истории крупнейшим поражением итальянской армии.
В будущем с ними будет происходить что-то совсем другое, но память о прошлом навсегда останется в их температуре нестираемым воспоминанием о золотом веке – той раскаленной и волшебной эпохе, когда и они тоже могли играть в прятки со всей прочей материей, свободно связываясь с множеством других частиц. Сегодня, 13,8 миллиарда лет спустя, старейшие космологические нейтрино – мы так их называем, чтобы отличать от молодых нейтрино, образуемых в звездах, – все еще продолжают свои блуждания. Согласно нашим вычислениям, каждый кубический сантиметр во Вселенной должен содержать их не менее шестисот, что не так уж и мало, однако нейтрино взаимодействуют с материей настолько слабо, что пока еще никому не удалось получить доказательств их существования. И все же мы уверены, что они все еще здесь, вокруг нас, и мы даже знаем, какая у них температура: из-за расширения Вселенной она должна была опуститься до 1,95 кельвина.
Пока поиски следов космологических нейтрино не принесли значимых результатов. Поныне мы располагаем только косвенными указаниями на их присутствие. Но в тот день, когда какая-то новая методика позволит их обнаружить, станет возможным изучить и все характеристики космологического фона нейтрино, предсказанного всеми моделями Большого взрыва. В этом море скромных и вежливых частиц, все еще нас окружающих, прячутся решающие секреты, которые помогут нам понять, что же происходило во Вселенной, когда погасла свеча ее первой секунды.
В сердце звезды
На излете первой минуты на каждый нейтрон все еще приходится по семь протонов, а плотность энергии уже упала до такой степени, что протоны с нейтронами начали сливаться друг с другом, образуя ядра самых легких элементов.
Это принципиальный момент, так как уровни плотности энергии и температуры теперь примерно соответствуют уровням плотности энергии и температуры в звездах. Протоны и нейтроны, сталкиваясь с высокими энергиями, могут вступать в реакции с образованием связанных состояний благодаря сильному взаимодействию. Когда протон сливается с нейтроном, возникает ядро дейтерия; если два ядра дейтерия сливаются друг с другом, рождается первое ядро гелия. Этот легкий элемент, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов, получил свое имя от греческого бога солнца; и в самом деле – весь водород, питающий эту гигантскую ядерную печь, рано или поздно кончит тем, что превратится в гелий.
Чтобы возникло ядро гелия, надо слить вместе два ядра дейтерия. Этот процесс идет с большой легкостью: ядро с четырьмя нуклонами внутри исключительно стабильно, потому что в нем на каждый компонент приходится наибольшая энергия связи. Все остающиеся свободными нейтроны включаются в эту кадриль[21] и выбывают из игры. По этой причине масса ядер гелия достигает почти 25 % от общей массы. Остальные 75 % приходятся на протоны, остающиеся “холостыми” и готовые трансформироваться в атомы водорода, как только обстоятельства это позволят; попутно то тут, то там образуются более тяжелые ядра лития и бериллия.
На формирование всех первичных ядер во Вселенной понадобилось всего три минуты. После этого момента ни температуры, ни плотности уже не будет хватать на поддержание ядерных реакций. Оно и к лучшему, так как, если бы процесс продолжился, Вселенная израсходовала бы слишком много водорода на формирование более тяжелых элементов. Продлись он всего десять минут, никакого водорода не осталось бы вообще.
Распространенность гелия во Вселенной – это еще одно подтверждение теории Большого взрыва. Этот элемент образуется также в сердце звезд, но без первичного гелия по счетам было бы не расплатиться. Даже всех звезд во Вселенной, сжигающих водород уже почти четырнадцать миллиардов лет, не хватило бы, чтобы произвести столько гелия, сколько мы наблюдаем.
Так что созданные ядра уже больше не изменяются на протяжении миллиардов лет, образуя даже сегодня большую часть существующих ядер. К ним добавятся, много позже, ядра тяжелых элементов периодической таблицы, которые родятся в гигантских ядерных печах наиболее массивных звезд.
Теоретические расчеты показывают, что, если бы разница масс нейтрона и протона была чуть больше, последствия были бы ужасными. Чистое ничто, взмах крыльев бабочки, уже повлекло бы за собой череду катастроф. Разница в массах существенно изменила бы пропорцию между количеством нейтронов и протонов, и в результате мы получили бы значительно больше гелия и меньше водорода. И тогда не было бы избытка водорода для запуска ядерных реакций в звездах. Вселенная навсегда бы осталась пустынной темной бездной. Унылой и скучной. Без звезд не образовались бы тяжелые элементы, не из чего было бы создавать каменистые планеты, и тогда не могли бы возникнуть условия для развития элементарных форм жизни, из которых однажды мог бы появиться некто, способный задуматься о величии всего вокруг.
Но всего этого в нашей Вселенной, к счастью, не случилось. Канатоходец продолжил свой бег по канату; в каждое мгновение казалось, что он вот-вот свалится либо туда, либо сюда, публика с замиранием сердца следила за ним, с ужасом ожидая неминуемой трагедии. Но тот каждый раз восстанавливал равновесие и закончил свое шоу под гром аплодисментов.
Потребуется еще много времени, прежде чем энергия упадет достаточно для формирования первых атомов водорода. Придется дождаться момента, когда температура Вселенной будет достаточно низкой для того, чтобы не рвать каждый раз электромагнитную связь, позволяющую электронам оставаться на орбиталях вблизи протонов в ядрах. Но к концу третьего дня прогресс был достигнут уже очень значительный. А от начала сей великой авантюры прошло всего три минуты.
День 4И свет наконец-то стал
Прошли первые минуты, и ритм сменился – резко и совершенно неожиданно. Лихорадочная череда трансформаций, сотрясавших Вселенную, вдруг прекратилась, все замедлилось почти до полной остановки, эволюция стала такой медленной, что могла бы показаться изнурительной. Мы только-только пришли в себя от бурного crescendo in prestissimo, с которого симфония началась, и приготовились было к более размеренному и духоподъемному продолжению, как тут все съехало к larghissimo, которое, кажется, ничем не закончится.
Все процессы стали бесконечно медленными, а эпохи безмерно растянулись. Чтобы пронаблюдать за наиболее важными трансформациями, надо запастить немалым терпением. После образования ядер наиболее легких элементов на протяжении сотен миллионов лет не происходит ничего важного. Лишь только пространство продолжает растягиваться и охлаждаться.
На время, которое кажется бесконечностью, Вселенную заполняет темное облако – мутный мир элементарных частиц и ядер, перемешанных без всякого порядка и погруженных в море фотонов и электронов. Где-то тут незримо присутствуют и неизвестные частицы темной материи; они тоже участвуют в этой сарабанде, которой, кажется, не будет конца. Никакой структуры, никакой организации. Ничего.
Ни один луч света не в состоянии проникнуть сквозь эту мрачную беспокойную плазму. Электроны и фотоны неразлучны, будто играют в какую-то странную игру. Плотный электронный газ проникает повсюду, он то и дело поглощает фотоны, чтобы тут же их переизлучить, но фотонам никак не удается вырваться из этих удушающих объятий.
Мутное царство тьмы длится сотни тысяч лет. Никакой “темный режим” в вашем компьютере не сравнится с этим мраком. Никакие, даже самые депрессивные научно-фантастические сочинения не смогут соперничать со все поглотившей атмосферой тоски, скуки и безысходности.
Ключ к решению дает, как всегда, температура, продолжая неизменно падать с расширением Вселенной. Все становится иначе, когда она приближается к трем тысячам градусов. Это примерно половина значения температуры на поверхности Солнца. В этот момент плотное облако начинает истончаться. С таким снижением температуры падает и кинетическая энергия электронов, и им больше не удается разрывать связи с протонами. Электромагнитное притяжение выходит на первый план, и электроны, дикие и свободные, тучами летающие повсюду, оказываются прирученными электромагнитным полем. Свобода их кончается, и они покорно помещаются на регулярных орбитах вокруг заряженных ядер.
Образовались первые атомы – преимущественно водорода и гелия. Они образуются повсюду, плазма рассасывается в немыслимое количество газа, неумолимо поглощающего все ядра и всю популяцию электронов. Материя начинает терять электрический заряд и становится более стабильной. Новизна момента заключается еще и в том, что образовавшиеся атомы позволяют формироваться новым структурам, еще более сложным, открывающим дорогу следующим трансформациям.
Пока электроны смиряются с концом своей вольной жизни, попав в тенета своих комфортабельных орбиталей, для фотонов наступает момент освобождения от их долгого рабства. Освободившись от своей долгой связи с материей, они могут наконец лететь куда заблагорассудится, и празднуют эту перемену в своей судьбе, осветив все вокруг. Вселенная вдруг становится прозрачной и вся наполняется светом.