Остывание после Большого взрыва
Таким образом, нагревая кубик льда до невероятных температур, можно воспроизвести теорию суперструн. Урок заключается в том, что материя проходит определенные стадии развития, пока мы нагреваем ее. И наконец, по мере увеличения энергии симметрия все больше восстанавливается.
Рассматривая этот процесс в обратном порядке, мы можем оценить Большой взрыв как последовательность различных этапов. Вместо того чтобы нагревать кубик льда, теперь охлаждаем сверхгорячее вещество Вселенной, проходя несколько этапов. С момента сотворения мы прошли следующие стадии эволюции Вселенной:
10−43 секунд. Десятимерная Вселенная распадается на четырех– и шестимерную. Шестимерная схлопывается до размера 10−32 см. Четырехмерная Вселенная стремительно расширяется. Температура 1032 K.
10−35 секунд. Разрушается взаимодействие теорий Великого объединения; сильное взаимодействие уже не объединено с электромагнитным и слабым. SU (3) отделяется от симметрии теорий Великого объединения. Крошечная песчинка в большей Вселенной увеличивается в 1050 раз и в конце концов становится нашей видимой Вселенной.
10−9 секунд. Температура 1015 K, симметрия электромагнитного и слабого взаимодействия распадается на SU (2) и U (1).
10−3 секунд. Кварки начинают конденсироваться, образуя нейтроны и протоны. Температура приблизительно 1014 K.
3 минуты. Протоны и нейтроны уже сконденсированы и образовали стабильные ядра. Энергии беспорядочных столкновений не хватает для разрушения возникающих ядер. Пространство по-прежнему остается непрозрачным для света, так как ионы недостаточно хорошо переносят его.
300 тыс. лет. Вокруг ядер скапливаются электроны. Начинается образование атомов. Поскольку свет уже не рассеян и не поглощен, Вселенная становится прозрачной для него, а космические пространства – черными.
3 млрд лет. Появляются первые квазары.
5 млрд лет. Появляются первые галактики.
10–15 млрд лет. Рождается Солнечная система. Через несколько миллиардов лет после этого на Земле появляются первые формы жизни.
Почти непостижимым выглядит то, что мы, разумные приматы с третьей планеты в системе мелкой звезды в мелкой галактике, сумели реконструировать историю нашей Вселенной почти с момента ее рождения, когда температура и давление превосходили все величины, которые можно встретить в Солнечной системе. Тем не менее именно эту картину нам открывает квантовая теория слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий.
Какой бы удивительной ни выглядела наша версия сотворения, вероятно, еще удивительнее вероятность, что «червоточины» могут выступать в качестве ворот, ведущих в другие вселенные, а возможно, даже и машин времени, обеспечивающих связь с прошлым и будущим. Вооружившись квантовой теорией гравитации, физики, вероятно, сумеют найти ответ на интригующие вопросы: существуют ли параллельные миры и можно ли изменить прошлое?
Часть III
«Червоточины»: ворота в другие вселенные?
10. Черные дыры и параллельные миры
Слушай, здесь по соседству целая вселенная – идем же!
Эдвард Каммингс
Черные дыры: туннели сквозь пространство и время
Черные дыры с недавних пор завладели воображением широкой публики. Исследованию этого странного предположения Эйнштейна, финальной стадии смерти коллапсирующей звезды, посвящены книги и документальные фильмы. Парадокс, но публика по-прежнему не подозревает о самой, пожалуй, необычайной особенности черных дыр – что они могут служить воротами в другую вселенную. Более того, в научном сообществе активно высказываются предположения о способности черных дыр открывать туннели во времени.
Для того чтобы понять, что такое черные дыры и как трудно отыскать их, следует сначала выяснить, почему сияют звезды, как они растут и как в конце концов погибают. Звезда рождается, когда огромное облако водорода, размерами многократно превосходящее нашу Солнечную систему, медленно сжимается под действием силы гравитации. Эта сила, сжимающая газ, постепенно нагревает его, поскольку гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию атомов водорода. В обычных условиях отталкивающего заряда протонов в водороде достаточно, чтобы атомы оставались обособленными. Но в определенный момент, когда температура повышается до 10–100 млн кельвинов, кинетическая энергия протонов (ядер водорода) преодолевает электростатическое отталкивание, и они врезаются друг в друга. Тогда сила ядерного взаимодействия одерживает верх над электромагнитной силой, и два ядра водорода «сливаются», образуя гелий и выделяя огромные количества энергии.
Другими словами, звезда – это ядерная печь, в которой сгорает топливо – водород и образуется ядерная «зола» – отходы в виде гелия. Кроме того, звезда – случай шаткого равновесия между силой гравитации, стремящейся полностью уничтожить звезду, и силой ядерного взаимодействия, обладающей мощностью триллионов водородных бомб, которая стремится разорвать звезду. Расходуя свое ядерное топливо, звезда достигает зрелости и старости.
Для того чтобы понять, как в ходе ядерной реакции выделяется энергия, и выяснить, какие жизненные этапы проходит звезда, прежде чем стать черной дырой, обратимся к рис. 10.1, на котором представлен один из наиболее важных графиков современной науки, иногда называемый кривой энергии связи. На горизонтальной оси отражена атомная масса различных элементов – от водорода до урана. На вертикальной оси – грубо говоря, приблизительный средний «вес» каждого протона в ядре. Обратите внимание: протоны водорода и урана в среднем тяжелее, чем протоны других элементов в центре графика.
Наше Солнце – обыкновенная желтая звезда, состоящая главным образом из водорода. Как и при Большом взрыве, в ней из водорода образуется гелий. Но, поскольку протоны водорода тяжелее протонов гелия, возникает избыток массы, который преобразуется в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна Е = mc². Эта энергия и связывает ядра вместе. Кроме того, энергия высвобождается при образовании гелия из водорода. Вот почему солнце светит.
Но за миллиарды лет водород постепенно расходуется, в желтой звезде накапливается слишком много гелия, и ядерная печь прекращает работу. Когда это происходит, гравитация наконец одерживает верх и уничтожает звезду. При резком увеличении температуры звезда раскаляется достаточно, чтобы сжечь избыток гелия и преобразовать его в другие элементы, такие как литий и углерод. Обратим внимание, что энергия продолжает выделяться по мере снижения кривой в сторону более тяжелых элементов. Иными словами, горение гелия все еще возможно (точно так же обычная зола при определенных условиях может продолжать гореть). Несмотря на существенное уменьшение размера звезды, ее температура довольно высока, а внешняя оболочка значительно увеличивается в размерах. В сущности, когда наше Солнце исчерпает запасы водорода и начнет сжигать гелий, внешняя оболочка Солнца достигнет орбиты Марса. Возникнет так называемый красный гигант. Разумеется, это означает, что в процессе его возникновения Земля превратится в пар. Таким образом, кривая предсказывает окончательную участь Земли. Поскольку возраст нашего Солнца средний, т. е. ему примерно 5 млрд лет, пройдет еще 5 млрд лет, прежде чем оно поглотит Землю. (По иронии судьбы, Земля родилась из того же вихревого газового облака, из которого возникло наше Солнце. В настоящее время физики высказывают предположение, что Земля, созданная вместе с Солнцем, воссоединится с ним.)
И наконец, когда будет израсходован гелий, ядерная печь снова прекратит работу, и гравитация уничтожит звезду. Красный гигант сожмется и станет белым карликом – миниатюрной звездой, сократившейся примерно до размеров планеты Земля{94}. Белые карлики светят слабо, так как относятся к нижней части кривой, которой соответствует совсем небольшой избыток энергии согласно формуле Е = mc². Белый карлик сжигает то немногое, что остается на нижней части кривой.
Наше Солнце в конце концов превратится в белого карлика и на протяжении миллиардов лет будет медленно умирать, так как истощит все свои запасы ядерного топлива. В итоге оно станет темной, выгоревшей карликовой звездой. Однако считается, что если звезда обладает достаточной массой (в несколько раз превышающей массу нашего Солнца), то большинство элементов, содержащихся в белом карлике, будут по-прежнему участвовать в реакциях с образованием все более тяжелых элементов и со временем дело дойдет до железа. Излишки массы уже не будут давать энергии, ядерная печь прекратит работу. Гравитация вновь окажется сильнее и будет сжимать звезду, пока температура не увеличится сразу в тысячу раз, достигая триллионов градусов. В этот момент железное ядро сжимается, а наружная оболочка белого карлика разрушается, процесс сопровождается самым мощным в галактике выбросом энергии и образованием взрывающейся звезды – сверхновой. Всего одной сверхновой достаточно, чтобы на время затмить целую галактику со 100 млрд звезд.
