Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура Вселенной упала до одного миллиарда градусов, что примерно соответствует температуре в недрах самых горячих звезд. При такой температуре очень важную роль должны были играть так называемые сильные взаимодействия – это короткодействующие силы притяжения, которые удерживают протоны и нейтроны вместе, позволяя им образовывать атомные ядра. Мы подробнее рассмотрим эти силы в главе 11. При достаточно высоких температурах энергии движения протонов и нейтронов (см. главу 5) оказываются достаточными, чтобы и после столкновения они оставались свободными и продолжали независимо двигаться. Но при температуре в один миллиард градусов энергии этих частиц уже недостаточно, чтобы преодолеть притяжение, вызванное сильным взаимодействием, и поэтому они начинают сливаться, образуя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из одного протона и одного нейтрона. Затем ядра дейтерия соединяются с другими протонами и нейтронами, образуя ядра гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов, а также небольшое количество ядер более тяжелых элементов лития и бериллия. Согласно расчетам, в модели горячего Большого взрыва примерно четверть протонов и нейтронов должны были образовать ядра гелия, а также небольшое количество ядер тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются, превращаясь в протоны – ядра обычных атомов водорода.

Фотонно-электронно-позитронное равновесие. В ранней Вселенной соблюдался баланс между столкновениями электрон-позитронных пар с образованием фотонов и обратным процессом. По мере падения температуры Вселенной баланс смещался в пользу рождения фотонов. В какой-то момент большинство электронов и позитронов во Вселенной взаимно аннигилировали, и осталось современное относительно небольшое количество электронов

Первым модель горячей ранней стадии Вселенной предложил Георгий Гамов (см. стр. 76) в своей знаменитой статье, написанной в 1948 году совместно со своим аспирантом Ральфом Альфером. Гамов обладал чувством юмора и уговорил физика-ядерщика Ханса Бете добавить свое имя к списку авторов, чтобы получилось Альфер – Бете – Гамов – совсем как три первые буквы греческого алфавита: альфа, бета и гамма, что очень подходило для статьи о возникновении Вселенной! Авторы этой статьи сделали замечательное предсказание, согласно которому излучение (фотоны) от самых ранних стадий эволюции Вселенной должно присутствовать вокруг нас и сегодня, но только его температура должна сейчас быть на несколько градусов выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль это –273°С – температура, при которой тепловая энергия вещества достигает нуля – самая низкая из возможных температур.)

Как раз это микроволновое излучение Пензиас и Уилсон обнаружили в 1965 году. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою статью, о ядерных реакциях протонов и нейтронов мало что было известно. Поэтому предсказанные ими соотношения разных элементов в ранней Вселенной были весьма неточны. Но впоследствии эти расчеты были переделаны с учетом новых данных, и теперь они замечательным образом согласуются с результатами наблюдений. К тому же трудно придумать другое объяснение, почему примерно четверть массы Вселенной представлена в виде гелия.

Но это картина столкнулась с определенными трудностями. В модели горячего Большого взрыва оказывалось недостаточно времени для теплообмена между разными областями пространства. Это означает, что в начальном состоянии температура Вселенной должна была быть в точности одинаковой во всех областях – иначе невозможно объяснить, почему наблюдаемая температура микроволнового фона одинакова во всех направлениях. Кроме того, начальная скорость расширения должна иметь очень точно определенное значение, чтобы современная скорость расширения оказалась близка к критическому значению, и таким образом избежать коллапса Вселенной. Очень трудно объяснить, почему Вселенная должна была родиться именно в таком состоянии, кроме как предположив, что она была создана Богом именно с целью породить существ вроде нас. В попытках найти модель Вселенной, в которой разные начальные конфигурации эволюционировали бы к чему-то вроде современного состояния, Алан Гут из Массачусетского технологического института предположил, что ранняя Вселенная должна была пройти через период очень быстрого расширения. Этот период был назван инфляционным расширением – имелось в виду, что в какой-то момент Вселенная расширялась с ускорением. Согласно Гуту, за ничтожную долю секунды радиус Вселенной увеличился в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз (единица с тридцатью нулями). В такой Вселенной любые неоднородности должны были выровняться в результате расширения, подобно тому, как морщинки на воздушном шаре разглаживаются при надувании. Таким образом, инфляция объясняет, как из множества неоднородных начальных состояний могло получиться современное гладкое и однородное состояние Вселенной. Поэтому мы можем быть с достаточной степенью уверены в правильности рассматриваемой картины эволюции Вселенной, во всяком случае начиная с момента в одну миллиардно-триллионно-триллионную долю секунды после Большого взрыва.

После всех этих бурных начальных событий всего через несколько часов после Большого взрыва синтез Гелия и других элементов, таких как литий, прекращается. После чего на протяжении последующих миллионов лет Вселенная просто продолжает расширяться и ничего особенного не происходит. Когда, наконец, температура уменьшается до нескольких тысяч градусов, энергии электронов и атомных ядер оказывается уже недостаточно для преодоления их взаимного электромагнитного притяжения, и они начинают объединяться в атомы. Вселенная как целое продолжает расширяться и остывать, но в областях повышенной плотности это расширение замедляется из-за дополнительного гравитационного притяжения.

Под действием этого притяжения расширение в некоторых областях полностью прекращается и сменяется сжатием. По мере сжатия плотные области начинают слегка вращаться под действием тяготения расположенного за их пределами вещества. И по мере уменьшения размера коллапсирующей области вращение ее ускоряется совсем у фигуристов на льду когда, когда они прижимают руки к груди. Наконец, когда сжимающаяся область становится достаточно малой, скорость ее вращения возрастает настолько, что уравновешивает силу притяжения – таким образом возникли дискообразные вращающиеся галактики. Другие области, которые не успели достаточно быстро закрутиться, превращаются в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Их сжатие останавливается потому, что отдельные части галактики начинают обращаться вокруг центра по [случайно ориентированным] устойчивым орбитам, притом что галактика в целом не вращается.

В дальнейшем газовая водородно-гелиевая среда в галактиках начинает постепенно распадаться на менее крупные облака, которые коллапсируют под действием собственного тяготения. По мере их сжатия и столкновений атомов, из которых они состоят, температура газа возрастает, пока наконец не достигнет величины, достаточной для начала реакций термоядерного синтеза. В результате этих реакций часть водорода превращается в гелий, количество которого таким образом еще увеличивается. Именно тепло, выделяемое в ходе такой реакции, и заставляет звезду светиться. Это дополнительное тепло также приводит к увеличению давления до уровня, когда