Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
В последующие три минуты, предшествовавшие нуклеосинтезу, количество протонов и нейтронов почти не менялось[18]. Что было дальше, вы уже знаете: ядерные реакции синтеза превращали нейтроны и протоны в гелий; в конце концов нейтроны закончились, а общий объем гелия составил 24 %.
Имейте в виду, что все это касается исключительно ядер атомов. Сами же атомы появились лишь в эпоху рекомбинации, то есть 380 тыс. лет спустя, когда температура опустилась достаточно низко, чтобы электроны могли прикрепиться к ядрам.
Тот факт, что итоговый объем гелия почти полностью зависит от отношения количества нейтронов к количеству протонов на стадии «заморозки», позволил космологам в 1980-х годах установить общее число типов нейтрино еще до того, как это было сделано в ходе лабораторных исследований. На данный момент нам известно о существовании трех типов нейтрино, обладающих разными, как принято называть их свойства, «ароматами». Пока мы не можем утверждать, что есть еще какие-то типы нейтрино. Существование нейтрино с иными «ароматами» свидетельствовало бы о том, что реальный коэффициент расширения Вселенной в период нуклеосинтеза должен был бы быть выше, чем мы думали. А поскольку в таком случае он бы вызвал снижение частоты слабых взаимодействий раньше (при более высоких температурах и большем количестве нейтронов), дополнительные «ароматы» у нейтрино породили бы большее количество гелия. Ограничение количества гелия 24 % исключает возможность существования иных «ароматов», что впоследствии было доказано экспериментально в адронных коллайдерах.
* * *
Пожалуй, самым удивительным в гипотезе нуклеосинтеза (за исключением того, что он вообще существует) является то, что в этой модели нет никаких допущений. Обстоятельства, сложившиеся во Вселенной спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва, не выходят за рамки классической физики, а реакции неоднократно повторялись в лабораторных условиях. Единственным потенциально изменчивым показателем в данном случае остается плотность нейтронов и протонов в сегодняшней Вселенной, ее определила плотность частиц в период нуклеосинтеза. Поскольку же нейтроны и протоны обобщенно называются барионами (термин для обозначения тяжелых частиц), среди космологов принято говорить о плотности барионов.
Когда речь заходит о статистике летальных исходов вследствие какого-либо заболевания, количество смертей оказывается намного более информативным показателем, если оно выражено в доле населения. В физике исходные данные могут быть записаны в виде отношения количества фотонов к количеству барионов, составляющего приблизительно 109 к одному. Другими словами, в нашей Вселенной на каждый барион приходится около миллиарда фотонов. Несмотря на то что величина 109 показывает прекрасные результаты при расчетах, связанных с нуклеосинтезом, мы пока не можем сказать, почему на этом месте не стоит 1 или, например, 618. Вполне возможно, что это число – просто данность, характерная для Вселенной с момента ее зарождения, но физики с присущим им скептицизмом считают ситуацию примером концепции тонкой настройки, то есть корректировки параметров модели таким образом, чтобы она соответствовала именно нашей реальности. Чтобы как-то объяснить 109, они стараются отыскать естественный механизм появления этого числа.
Было бы вполне «естественно», если бы Вселенная возникла с одинаковым количеством материи и антиматерии, ведь нет никаких фундаментальных причин, по которым оно должно различаться. Тем не менее наша Вселенная почти полностью состоит из того, что сегодня принято называть материей[19]. В 1967 году физик Андрей Сахаров предположил, что этот количественный разрыв возник уже в процессе Большого взрыва. Он был незначительным: примерно миллиард частиц антиматерии на миллиард и одну частицу материи. Поклонники сериала «Звездный путь» наверняка знают, что при контакте материи и антиматерии происходит аннигиляция, порождающая два фотона. Именно благодаря ей мы теперь живем в левосторонней Вселенной, где на каждый барион приходится несколько миллиардов фотонов. Но подобное объяснение лишь порождает новый вопрос: чем определяется масштаб дисбаланса материи и антиматерии?
Хотя Сахаров и определил условия, при которых данное расхождение должно было возникнуть, ему так и не удалось убедительно объяснить, что стоит за соотношением фотонов и барионов. Над решением этой проблемы физики работают до сих пор.
В целом мы не можем объяснить, как сформировались существующие законы физики. Успех астрофизики служит убедительным доказательством того, что законы, касающиеся импульса, сохранения энергии и прочих явлений, одинаковы во всей Вселенной; в то же время успех, с которым космологи описали такие процессы, как первичный нуклеосинтез, доказывает, что с момента Большого взрыва естественные законы существенно не менялись.
Фундаментальная теорема, предложенная математиком Эмми Нётер, говорит нам о том, что, если система не претерпевает изменений с течением времени и если она находится в однородном пространстве, ее импульс (то есть масса, умноженная на скорость) также сохраняется. Но это не объясняет, среди прочего, то, как пространство стало однородным. Также возникает вопрос, можно ли применять обычные законы физики (мы сделаем это в главе 11) для моделирования Вселенной на самом раннем этапе ее формирования – то есть в тот момент, когда она еще не была однородной. Более того, когда мы утверждаем, что энергия не может ни возникать ниоткуда, ни исчезать никуда, мы имеем в виду энергию в таких закрытых, окончательных системах, как, например, торт в закрытой коробке. Конечно, торт теоретически может начать превращаться в энергию, и масса его начнет уменьшаться, но этот пример не совсем годится, когда мы говорим о сохранении энергии во Вселенной, особенно с учетом того, что она бесконечна, плохо изучена и в целом не очень понятна.
Можем ли мы избежать тонкой настройки космоса?
7
Темная Вселенная
Как правило, после лекций мало кто задает вопросы о первичном нуклеосинтезе. Впрочем, космологов довольно часто спрашивают: «Вы можете объяснить, что такое темная материя?» Ответ в таком случае должен быть однозначным: «Нет».
Здесь глава могла бы закончиться.
И все же мы попробуем немного углубиться в вопрос. Следуя одному из выдуманных заветов Эйнштейна, физики стараются «упрощать все настолько, насколько возможно, но не более»; их задача – понять природу и как можно проще объяснить наблюдаемые явления. Но природа не так проста, как кажется. Чем дольше мы наблюдаем то или иное явление, тем более комплексным оно оказывается, а это значит, что для его объяснения нам требуются все более изощренные модели и теории. Физики же, в отличие, к примеру, от экономистов, не любят лишний раз
