Люси Хокинг - Джордж и Большой взрыв
Потом начинаются фейерверки, которые длятся несколько секунд: это происходит взаимное уничтожение большей части произведённой ранее материи и антиматерии, порождающее потоки новых фотонов. Туман теперь состоит в основном из протонов, нейтронов, электронов, тёмной материи и фотонов (их больше всего), но заряженные протоны и электроны не позволяют фотонам разлетаться слишком далеко, поэтому видимость в этом расплывающемся и остывающем тумане остаётся очень слабой.
Когда Вселенной уже несколько минут, уцелевшие протоны и нейтроны объединяются и образуют атомные ядра — преимущественно это ядра атомов водорода и гелия. Они тоже заряжены, поэтому туман по-прежнему густой и сквозь него ничего не видно. На этом этапе вещество, из которого состоит туман, напоминает то, что в наше время находится внутри звёзд, — только это вещество заполняет всю Вселенную.
После бешеной активности первых минут жизни Вселенная в течение нескольких сотен тысяч лет остаётся практически прежней — продолжает расширяться и остывать, горячий туман постоянно разрежается, тускнеет и краснеет, по мере того как длины световых волн увеличиваются за счёт расширения пространства. Затем, через 380 тысяч лет, когда та часть Вселенной, которая впоследствии будет видна с Земли, расширяется до миллионов световых лет, туман наконец-то рассеивается: электроны захватываются ядрами водорода и гелия, и формируются целые атомы. Поскольку электрические заряды электронов и ядра взаимно компенсируются, эти атомы не несут электрического заряда, так что фотоны уже могут перемещаться без препятствий — Вселенная стала прозрачной.
Что же вы видите теперь, прождав сотни тысяч лет, пока туман рассеется? Только тускнеющее красное свечение во всех направлениях. Пространство продолжает расширяться, длины волн фотонов — растягиваться, и это свечение становится всё краснее и всё тусклее. Наконец этот свет вообще перестаёт быть видимым. Повсюду, куда ни глянь, только тьма. Мы вступили в космические Тёмные века.
Фотоны от этого последнего свечения с тех пор так и путешествуют по Вселенной, постоянно становясь даже ещё краснее; сегодня их можно обнаружить в виде реликтового космического микроволнового фонового излучения; они и сейчас отовсюду долетают до Земли.
Эти Тёмные века Вселенной длятся несколько сотен миллионов лет, и на протяжении всего этого времени смотреть в буквальном смысле не на что. Вселенная по-прежнему заполнена материей, но почти вся она — тёмная материя, а остальное — газы, водород и гелий, и ничто из этого не порождает новый свет. Однако в полной темноте потихоньку происходят перемены.
Рябь, некогда мельчайшая, но усиленная инфляцией, означает, что в некоторых областях Вселенной масса немножко больше среднего. Следовательно, притяжение этих областей усиливается, привлекая ещё больше массы, и тёмная материя, водород и гелий притягиваются ближе друг к другу. Медленно, за миллионы лет, в результате этого усиливающегося притяжения появляются сгустки тёмной материи и газа, которые постепенно растут, втягивая в себя всё больше материи. Иногда их рост ускоряется — когда они сталкиваются и сливаются с другими сгустками. Когда газ попадает в эти сгустки, его атомы ускоряются и нагреваются. То и дело этот газ становится таким горячим, что перестаёт сжиматься; остыть он может, только испуская фотоны, а сжаться — только столкнувшись с другим облаком материи.
Если облако газа сжимается слишком сильно, оно распадается на шарообразные капли, такие плотные, что тепло из них уже не может вырваться наружу. В конечном счёте достигается точка, когда ядра водорода в центре этих капель так сильно нагреваются и притягиваются друг к другу, что начинают слипаться (объединяться) в ядра гелия и излучать ядерную энергию. Вы сидите в одном из этих сжимающихся сгустков тёмной материи и газа (потому что именно там через много-много лет возникнет наша Галактика); и каково же ваше удивление, когда тьма вокруг вас вдруг озаряется ярким светом — это вспыхнула первая из ближних к вам капель. Так рождаются первые звёзды. Это конец Тёмных веков.
Первые звёзды быстро сжигают свой водород и на последних стадиях своей жизни соединяют воедино все ядра, какие только могут найти, чтобы создать атомы потяжелее, чем атомы гелия: атомы углерода, азота, кислорода и другие более тяжёлые атомы, которые сегодня находятся вокруг (а также внутри) нас с вами. Эти атомы, подобно пеплу, рассеиваются обратно в ближние газовые облака при колоссальных взрывах и вновь сметаются в кучу при образовании, нового поколения звёзд. Процесс продолжается: из накапливающегося газа и пепла формируются новые звёзды, потом они умирают и снова рассыпаются пеплом. По мере рождения новых звёзд наша Галактика — Млечный Путь — принимает спиралевидную форму. То же происходит и в других сгустках тёмной материи и газа, рассеянных по видимой Вселенной.
Проходит девять миллиардов лет после Большого взрыва — и вот из водорода, гелия и пепла умерших сгоревших звёзд образуется новая, молодая звезда, окружённая планетами.
Ещё через четыре с половиной миллиарда лет третья планета от этой звезды становится единственным местом в известной нам Вселенной, где смогут жить и прекрасно себя чувствовать представители рода человеческого. Они — то есть мы с вами — будут видеть в небесах звёзды, облака газа и пыли, галактики и реликтовое излучение — но не тёмную материю, составляющую большую часть материи Вселенной. Не увидим мы и те части Вселенной, которые настолько далеки от нас, что даже фотоны их реликтового излучения ещё не долетели до Земли; а есть, вероятно, и такие части Вселенной, свет от которых вообще никогда не достигнет нашей планеты.
Расширение Вселенной
Изучая ночное небо с помощью 100-дюймового телескопа, установленного на горе Вилсон в Калифорнии, американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что некоторые туманности — неясные скопления светящихся точек в небе — на самом деле галактики, подобные нашему Млечному Пути (хотя самых разных размеров), и каждая из них содержит миллиарды и миллиарды звёзд. И ещё Хаббл обнаружил поразительный факт: другие галактики удаляются от нас и, чем они дальше, тем выше их скорость. Внезапно оказалось, что наша Вселенная гораздо, гораздо больше, чем принято думать. Вселенная расширяется: расстояния между галактиками со временем увеличиваются. Можно представить себе Вселенную как поверхность воздушного шара, на котором кто-то нарисовал кружочки — галактики. Если надувать шар, то эти галактики раздвигаются в разные стороны, и чем дальше они друг от друга, тем быстрее растёт расстояние между ними.
КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Горячие небесные тела, например звёзды, излучают видимый свет, но поскольку Вселенная расширяется, звёзды в далеких галактиках удаляются от Земли. Из-за этого их свет, летящий к нам, растягивается, причём тем сильнее, чем быстрее удаляется звезда. Из-за растяжения видимый свет краснеет; это называется космологическим красным смещением.
Вакуумы
Что такое вакуум и какое отношение он имеет к пылесосам?
Вакуум — это пространство настолько пустое, что в нём вообще нет воздуха. Например, если выкачать насосом из комнаты весь воздух, то мы получим вакуум.
Пылесос — это пылеотсасывающее устройство вакуумного действия.
В пылесосе пневматический насос создаёт слабенькое подобие вакуума, помогающее всосать все до одной пылинки. Но это вовсе не тот вакуум, о котором мы сейчас говорим. Для нашего, эксперимента потребовался бы несравненно более мощный насос.
В лучевых трубках Большого адронного коллайдера создан вакуум наподобие космического: в нём совершенно нет молекул газа!
Удалить из комнаты все частицы воздуха не так-то просто.
Но даже если в комнате вообще нет атомов, она всё равно содержит излучение:
• инфракрасные фотоны, испускаемые тёплыми стенами комнаты
• радиофотоны от телепередатчиков
• микроволновые фотоны, оставшиеся от Большого взрыва
• другие частицы, залетающие из космоса (например, нейтрино, испускаемые Солнцем)
• и даже тёмную материю!
А если бы мы сумели убрать это излучение, охладив тёплые стены? Тогда наша комната стала бы совсем пустой — более пустой, чем космическое пространство между галактиками! Однако в ней всё равно кое-что осталось бы. Это «кое-что» — квантовые поля, то есть то, что остается, когда уже нет фотонов, нейтрино, электронов и всех остальных частиц. Состояние квантовых полей, обладающее минимальной энергией, физики, называют вакуумным состоянием; именно в этом состоянии, без каких бы то ни было наблюдаемых частиц, и пребывала бы наша воображаемая комната.
