Реферат: Курс астрономии водном мгновенье видеть вечность, Огромный мир в зерне песка, Вединой горсти бесконечность

КУРС АСТРОНОМИИ


В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир в зерне песка,

В единой горсти бесконечность

И небо в чашечке цветка.

Уильям Блейк


Урок №1. НАУЧНАЯ СКАЗКА О ВСЕЛЕННОЙ.

Предмет астрономии.

Кварково-лептонный мир.

Фундаментальные взаимодействия.

Вначале было не слово, а… взрыв.




Предмет астрономии.

Астрономия - наука о Вселенной.

Вселенная - это весь мир вокруг нас. Она непрерывно изменяется: отдельные космические объекты - галактики, звезды, планеты и т.д. - рождаются, проходят свой путь развития и исчезают, а на смену им возникают новые, более сложные и разнообразные миры. Астрономия изучает основные физические характеристики, происхождение, строение, состав, движение и эволюцию этих космических объектов и самой Вселенной.

Та часть Вселенной, которую изучает астрономия, конечно, это только часть всего материального мира, доступная современным астрономическим методам исследования. Ее называют Метагалактикой. Метагалактика – это сверхгигантская система, состоящая из огромного числа различных галактик. Галактики – это системы космических тел, состоящие из десятков и сотен миллиардов звезд каждая, газовых туманностей, планет и других космических объектов, объединенные между собой силами гравитации. На окраине одной из таких галактик, с названием Млечный Путь, пять миллиардов лет назад родилась и по сей день живет самая обыкновенная звезда по имени Солнце, согревая своим теплом и нашу маленькую голубую планету, которую мы называем Земля. И если возраст Вселенной принять за один год, то возраст человеческой цивилизации, которая возникла на этой планете, всего полторы секунды. Мгновение, которое, я думаю, никем пока не замечено в этом огромном мире.

То, что я сегодня расскажу вам о Вселенной, о том как и когда она родилась, как развивалась, как выглядит в настоящий момент и что с ней случится в будущем, будет звучать для вас как сказка, чья-то безграничная фантазия. Невозможно поверить, что человек, живущий всего миг в этом мире, смог понять глубины мироздания, приблизиться к величайшей тайне природы. И только к концу учебного года, когда мы шаг за шагом пройдем по тому невероятно трудному пути познания, по которому прошло человечество, вы поверите что мой сегодняшний рассказ не вымысел, а реальность - результат титанических усилий и гениальных прозрений тысяч и тысяч лучших умов нашей планеты.

^ Итак, научная сказка о Вселенной!

Кварково-лептонный мир.

Астрономия – фундаментальная физико-математическая наука. Современное понимание Вселенной неразрывно связано с нашими представлениями о строении материи и основных видах взаимодействия между ее составными частями. Чем глубже познает наука мир, тем труднее, оказывается, проверять правильность новых физических законов на Земле, поскольку мы, зачастую, не способны создать необходимых условий для эксперимента (огромных энергий, давлений, температур, масс и т.д.), и в этом смысле астрономия с ее бесконечным космосом оказывается незаменимой естественной лабораторией для фундаментальной физики. Эти науки настолько тесно переплелись, что не случайно основной раздел современной астрономии называется астрофизика.

Так из чего состоит окружающая нас материя и мы сами? Какие элементарные кирпичики лежат в основе нашего мироздания? Сколько их? Можно ли их выстроить в красивую таблицу, подобную периодической таблице Менделеева? Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Однако детальное изучение их свойств показало, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты говорят, что все фундаментальные частицы ведут себя как точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере, до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10-18 м.

И оказалось, что состав материи невероятно прост. Вся “видимая” материя во Вселенной – на Земле и в космосе – состоит из фундаментальных частиц: лептонов, кварков и носителей силы (бозонов). Десятилетия поисков привели ученых к необычайно простой теоретической модели материи, - т.н. Стандартной модели, которая до сих пор не нарушалась ни в одном эксперименте. Ее легко представить в виде простой таблички.

На схеме частицы обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой (ню) - три различных нейтрино, буквами е - электрон, (мю) - мюон, (тау) - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены шесть кварков. Последний столбец составляют бозоны. Частицы сгруппированы в три поколения I, II и III. Все видимое вещество современной Вселенной построено всего из трех частиц первого поколения – лептона е, и кварков u и d. Кроме того, во Вселенной проживают лептон νе и бозоны γ, g, Z, W. Как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее эволюции, важную роль играли частицы всех трех поколений. Сейчас в природе, в естественной состоянии, частиц II и III поколений нет, но их можно получить искусственно.

С лептоном «е» все ясно, ведь это обыкновенный электрон, который входит в состав каждого атома. Количество электронов в атоме всегда равно количеству протонов и определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева. А где же кварки, из которых складывается все сущее? Посмотрите на схему атома гелия. На орбите мы видим два электрона. В ядре находится четыре нуклона – четыре светлых кружка, а внутри каждого нуклона находится по три кварка, либо два u-кварка и один d-кварк, либо наоборот два d–кварка и один u-кварк. Значит, нейтроны и протоны, каждый, состоят из трех кварков. Но как же быть с электрическим зарядом. У протона он равен +1, а у нейтрона – 0. И вот здесь мы приходим к удивительному выводу – заряды у кварков дробные. Проверьте сами, если взять заряд u-кварка +2/3, а заряд d-кварка -1/3, то у двух нуклонов получится суммарный заряд равный нулю – это нейтроны, а у двух +1 – это протоны.

Лептоны νе, называемые нейтрино, не входят в состав никаких атомов или молекул и живут самостоятельно, заполняя в огромном количестве Вселенную. Более того, они не хотят взаимодействовать ни с какими другими частицами нашего мира. Просто их не замечают, совершенно свободно проходя насквозь через Землю, Солнце и любые другие космические объекты.

^ Фундаментальные взаимодействия.

Что же такое бозоны, и какую роль они выполняют в нашей Вселенной? Оказывается, они отвечают за взаимодействие между элементарными частицами. В природе известны четыре типа принципиально различных взаимодействий (видов сил) - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас мира, то кажется совершенно удивительным, что всего четыре фундаментальных взаимодействия, ответственны за все явления Природы.

Каким же образом осуществляется взаимодействие между элементарными частицами? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. В процессе взаимодействия элементарная частица испускает бозоны – кванты взаимодействия, которые поглощаются другой элементарной частицей. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние. Каждому фундаментальному взаимодействию соответствуют свои бозоны: сильному – глюоны (g), электромагнитному – фотоны (γ), слабому тяжелые бозоны (W, Z), гравитационнму гравитоны (G), которые предсказаны пока только теоретически.

Рассмотрим фундаментальные взаимодействия в порядке возрастания сил, действующих между частицами. Самое ничтожное по интенсивности - это гравитационное взаимодействие. Сила его определяется законом Всемирного тяготения. Это наиболее универсальное взаимодействие, оно действует между любыми формами материи. Благодаря ему существуют звезды и планеты.

Следующее по интенсивности - слабое взаимодействие, то есть процессы с участием нейтрино, происходят они между лептонами (электронами, мюонами, нейтрино) и кварками, составляющими адроны (протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). Это взаимодействие имеет место на малых расстояниях ~ 10-16 см. Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы наше Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, и стали бы невозможны реакции термоядерного синтеза. И вообще, слабое взаимодействие играет исключительно важную роль в жизнедеятельности звезд, ведь именно нейтрино отводят энергию из центра звезды, что спасает звезды от разрушения.

Третье по интенсивности – электромагнитное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие осуществляется между электрически заряженными лептонами и кварками. Практически вся информация, которую мы имеем о космических объектах переносится электромагнитным полем, без которого мы были бы попросту слепы, не говоря уже о том, что энергия, которой Солнце питает Землю и обеспечивает на ней жизнь, приходит к нам в виде электромагнитного излучения.

Наконец, сильное взаимодействие осуществляется в ядрах атомов между кварками. Характерный масштаб сильного взаимодействия ~ 10-13 см. В отличие от остальных сил, ядерное взаимодействие между кварками растет с увеличением расстояния между ними, поэтому в обычных условиях свободных кварков не существует. Именно это взаимодействие обеспечивает наличие во Вселенной всех элементов таблицы Менделеева.

В настоящее время физики выделяют три взаимосвязанные формы существования материи: вещество, поле и физический вакуум. Вещество - вид материи, обладающей массой покоя и дискретной структурой, образуемой взаимодействующими системами элементарных частиц. Физические поля не обладают массой покоя и имеют непрерывную структуру. Физический вакуум представляет собой материю в самом низком энергетическом состоянии. Термин "вакуум" - синоним пустоты, однако космическое пространство, даже в отдалении от любых космических объектов, - не пусто. Эта среда состоит из множества взаимодействующих между собой виртуальных ("вероятных") частиц, время существования которых много меньше времени, необходимого для их регистрации. При взаимодействии между собой отдельные виртуальные частицы могут приобрести энергию, во много раз увеличивающую время их существования. Для внешнего наблюдателя это событие выглядит как рождение "ниоткуда", из вакуума, материи в виде пары: частица - античастица.

^ 4. В начале было не слово, а… взрыв.

Ушедший двадцатый век характеризовался небывалым во всей истории человечества прогрессом науки. В начале века родилась новая физика – релятивистская и квантовая, изменившая наши взгляды на структуру пространства-времени и структуру физических взаимодействий. Следствием этого явились крупные успехи в объяснении структуры материи и Вселенной в целом. Именно в начале ХХ века родилась современная космология – раздел астрономии, изучающий происхождение, основные физические характеристики, свойства и эволюцию Вселенной. И дата ее рождения известна достаточно точно. Ее отсчитывают от момента появления в 1922 году в немецком журнале статьи Александра Фридмана, которая называлась «О кривизне пространства». Основной вывод этой работы заключался в том, что наша Вселенная эволюционирует - она расширяется. Эти выводы, которые следовали из общей теории относительности Эйнштейна, даже сам Альберт Эйнштейн вначале воспринял со скепсисом, так как это была идея поступательной эволюции, и в ней было «начало», или как говорят сегодня момент рождения, что, конечно, полностью противоречило существующим понятиям бесконечной во времени и пространстве Вселенной.

В 1946 году Георгий Гамов и его коллеги разработали физическую гипотезу начального этапа расширения Вселенной (теория горячей Вселенной), объясняющую наличие в ней различных химических элементов их синтезом при очень высоких температуре и давлении. Начало расширения Вселенной по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». Позднее гипотеза Гамова была подтверждена рядом блестящих экспериментов и признана теорией абсолютным большинством физиков и космологов.

По теории Гамова, 13,7 миллиарда лет назад, в начальный момент времени, радиус Вселенной был равен нулю. В нулевом объеме была сосредоточена вся энергия Вселенной, вся ее масса. Плотность энергии бесконечна, бесконечна и плотность вещества. Подобное состояние называется сингулярным. Мы не имеем никаких материальных свидетельств о происходивших в ту эпоху процессах. Существующие физические теории не могут описать материю в состоянии, близком к сингулярности. Предполагается, что даже свойства пространства и времени были тогда качественно иными: например, пространство имело до 10 измерений, сейчас их три. Первый вопрос, который задавали противники этой теории: «А что было до «большого взрыва?». Ответа на этот вопрос не было.

Сейчас мы рассмотрим одну из наиболее привлекательных рабочих гипотез современной космологии, в рамках которой проблема "Большого взрыва" - проблема начала расширения Вселенной приобретает вполне законченные контуры. "Безумность" идеи, сформулированной в работах выдающихся физиков ушедшего столетия - Д. Уиллера, С. Хоукинга, Я.Б. Зельдовича, А.Д. Сахарова, А.Д. Линде, А.А. Старобинского и др., заключается в том, что наша Вселенная - это гигантская флуктуация топологии более общего суперпространства, Макро-Вселенной, которая бесконечна во времени и в пространстве, и которая непрерывно, в силу своей неустойчивости, порождает Мини-Вселенные. Однако далеко не всем Мини-Вселенным, «везет» как нашей. Большинство из них существуют 10-43с, после чего бесследно исчезают, происходит своего рода "кипение" вакуума - рождение и практически мгновенная гибель виртуальных мини-Вселенных. Праматерией, из которой возникают вселенные, является вакуум. Плотность энергии вакуума чрезвычайно велика сравнительно с земными масштабами. Вакуумная энергия затрачивается на расширение мини-вселенной. Она расходуется также на образование материи в виде вещества и поля.

Более того, для вакуума не существует и самих понятий пространства и времени, как впрочем и причинности. Вакуум физических полей флуктуирует, порождая топологические аномалии - "пузырьки", которые рождаются и гибнут. Внутри каждого такого пузырька можно ввести понятие собственного времени, направление которого фиксирует эволюцию материи внутри от момента рождения и до момента "схлопывания".

Однако, наша мини-Вселенная существует уже 13.7 млрд лет. Что же задержало наш "пузырек" от мгновенного схлопывания? Очевидно, что Вселенные типа нашей являются ярко выраженными аномалиями. Первично устойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования "пузырька") стало неустойчивым по отношению к нашей Вселенной. Эта неустойчивость приводит к тому, что внутри "пузырька" вакуум начинает изменять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума сопровождается гигантским выделением энергии, в результате чего "пузырек"- Вселенная начинает расширяться с колоссальной скоростью. Этот процесс можно интерпретировать, как своеобразный взрыв вакуума - взрыв "пустоты"!

По теоретическим расчетам, в течение первых 10-36 с после Большого Взрыва, Вселенная стремительно расширялась со скоростью, значительно превышающей скорость света. Этот факт не противоречит теории относительности, так как с такой скоростью расширялось не вещество, а само пространство. Эта стадия эволюции называется инфляционной. Вселенная увеличилась от размеров атома до размеров в миллионы раз превышающих размеры Метагалактики. После этого инфляционное расширение закончилось, и Вселенная стала расширяться со скоростью меньшей скорости света.

В целом картина эволюции и структуры Вселенной, может быть, весьма схематически и условно, представлена так, как показано на рисунке.  Каждый шарик условно представляет раздувающуюся мини - вселенную. Их число невероятно быстро множится. Согласно этой картине Вселенная вечно воспроизводит сама себя в виде мини-вселенных с самыми разными наборами физических законов и условий. Вечно продолжается фейерверк рождения новых миров. Время от времени инфляция приводит к падению плотности и возникновению горячей Вселенной Фридмана. Если в этой Вселенной физические параметры таковы, что могут возникнуть сложные структуры, то в такой мини-Вселенной возможно появление жизни. И если все это так, то в одной из таких редчайших мини-вселенных живем мы.

Первая стадия рождения пузырька мини-Вселенной называется: планковская эра. Она длится 10-43 с. За ней в течение 10-36 с следует эра инфляции. Физика этого периода эволюции мини-Вселенной пока не создана, но работы в этом направлении ведутся. Дальнейшая эволюция нашей Мини-Вселенной происходила, согласно теории Гамова так: - сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной, после стадии инфляции, распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик. Все основные физические характеристики нашей Метагалактики определились в эти мгновения ее существования. Во время этой первой стадии Большого Взрыва плотность энергии излучения настолько велика, что плотностями энергии остальных компонент материи можно попросту пренебречь. До 10-12 с после рождения Вселенная заполнена излучением.

Время: 10-11 сек.  На этой стадии эволюции в расширяющейся Вселенной рождаются пары кварков и антикварков, которые, в свою очередь, аннигилируют обратно в излучение. И в среднем в каждый момент времени было равное число кварков и антикварков. Сегодня, согласно результатам многих наблюдений, кварков существует много больше, чем антикварков. Протоны и нейтроны состоят из кварков, а не из антикварков. Почему произошло нарушение барионной симметрии, пока до конца непонятно. Вселенная расширялась, вместе с этим она охлаждалась, охлаждалось и излучение, заполняющее Вселенную. Более холодное излучение со значительно меньшей вероятностью "родит" пару кварк-антикварк. Таким образом, "производство" кварков и антикварков остановилось при какой-то температуре и их число с тех пор практически не изменялось.

Когда время жизни мини-Вселенной стало 10-10 с температура понизилась до 1015 К и с безмассовыми частицами бозонами, аналогичными фотонам, но переносящими слабое взаимодействие стали происходить странные вещи. Они вдруг стали очень тяжелыми, т.е. обрели массу, этот процесс называется – спонтанное нарушение симметрии. При этом радиус их действия из бесконечного, как у фотонов, стал очень коротким 10-16см, что составляет одну тысячную размера атомного ядра. Так отделилось слабое взаимодействие.

Когда Вселенной исполнилось 10-4 с, температура вещества Метагалактики снизилась до 1012 К начался еще один фазовый переход, в результате которого кварки и глюоны во Вселенной стали связанными, образовав привычные нам частицы, мезоны и барионы (протоны и нейтроны). До этого момента ни протонов, ни нейтронов, ни мезонов не существовало, был лишь горячий "суп" из кварков и глюонов.

При температуре 1,6× 1010 К (t = 0,3 c) нейтрино "отделилось от вещества". Плотность среды понизилась (расстояние между элементарными частицами увеличилось) настолько, что нейтрино могли свободно перемещаться в пространстве, не взаимодействуя с частицами среды. Вплоть до возраста 1 с, протоны и нейтроны во Вселенной легко переходили друг в друга путем испускания или поглощения нейтрино, антинейтрино, электронов или позитронов. Однако Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться, так что со временем этот процесс шел все медленнее и медленнее, и в конце концов он практически становился, и при этом оказалось, что на каждый нейтрон приходится в среднем по семь протонов.

В это время протоны начинают взаимодействовать с нейтронами, присоединяя их и образуя атомные ядра - в основном, гелия, а также некоторое количество дейтерия, трития, лития. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 109 К и синтез атомных ядер прекратился. Чтобы "сделать" ядро водорода, нужен только один протон и не нужны нейтроны. Чтобы "сделать" ядро гелия, нужны два протона и два нейтрона. Таким образом, прямым следствием преобладания протонов над нейтронами должно быть преобладание водорода над гелием, что и наблюдается в современной Вселенной. Это дает нам некоторую уверенность в правильности теории Большого Взрыва. Через 100 с после большого Взрыва Метагалактика состояла на 70-75% из протонов, 25-30% из ядер гелия, и менее, чем на 1% из ядер более тяжелых элементов.

Через 1012 с (300000 лет) после Большого Взрыва температура Метагалактики понизилась до 3000 К. Протоны стали взаимодействовать с электронами, "захватывали" их: так возникли нейтральные атомы водорода и гелия. Электрически заряженные частицы плазмы взаимодействовали с электромагнитным излучением, а "нейтральный" газ водорода и гелия был прозрачен для излучения, фотоны перестали активно взаимодействовать с веществом и пустились в свободное путешествие по Вселенной. Началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - реликтовое излучение – теоретически предсказанное Гамовым и экспериментально обнаруженное в 1965 году Пензиасом и Вильсоном, остывшим за 14 миллиардов лет до температуры 3К.

В раскаленном до 3000 К газе уже существовали случайные, разные по величине и массе "возмущения плотности" - сгустки и разрежения среды, которые спустя миллиард лет начнут превращаться в первые звезды и галактики. Наша галактика Млечный Путь сформировалась, когда возраст Вселенной достиг трех миллиардов лет. Современная эпоха нашей Метагалактики называется – звездный этап эволюции, так как в настоящее время из гигантских облаков водорода происходит рождение звезд в галактиках. В недрах этих звезд образуются тяжелые элементы, которые необходимы для возникновения органических соединений, и в конечном итоге, жизни.

Что же ожидает нашу Метагалактику в будущем? Дальнейшая эволюция Метагалактики зависит от ее массы и средней плотности вещества. Если средняя плотность материи в Метагалактике выше критической плотности, то расширение Метагалактики со временем прекратится и сменится ее сжатием. Ввиду близости средней плотности вещества Метагалактики к критическому значению фаза сжатия сменит фазу расширения довольно поздно, не ранее, чем через 1029-1030 лет, когда Метагалактика будет состоять из электронно-позитронной плазмы, сверхмассивных черных дыр и немногочисленных остатков, распадающихся белых карликов и нейтронных звезд. При сжатии Метагалактики фотоны нагревают, взрывают или испаряют эти звездные "огарки". Черные дыры интенсивно поглощают излучение и вещество, растут, сближаются и при столкновениях сливаются. Миллиарды лет спустя, вся материя Мини-Вселенной сконцентрируется в единой гипермассивной черной дыре, коллапсирующей вплоть до состояния сингулярности с возможным последующим новым расширением, новым Большим взрывом.

Другой вариант развития нашей Мини-Вселенной произойдет, если плотность материи меньше критической. В этом случае Метагалактика будет неограниченно расширяться. По мере исчерпания запасов межзвездного газа процесс звездообразования будет замедляться, пока не прекратится совсем. "Звездный" этап эволюции нашей Галактики закончится через 1013 лет, а "Звездный" этап эволюции всей Метагалактики через 1014 лет. Через 1019 лет все галактики полностью распадутся: 90 % звезд и других космических тел - продуктов звездной эволюции рассеются в пространстве, оставшаяся масса вещества сосредоточится в черных дырах. Через 1030-1032 лет все вещество Метагалактики полностью распадется, превратившись в излучение и электронно-позитронную плазму. Останутся черные дыры, но и они не вечны: в результате квантовых эффектов они будут "испаряться" с образованием электромагнитного, нейтринного и гравитонного излучения. Через 10100 лет Метагалактика будет состоять из крайне разреженной электронно-позитронной плазмы в бесконечном пустом пространстве, мертвый лептонный мир! Таков сценарий развития Метагалактики и Мини-Вселенной при их неограниченном расширении.

Д.З. §1(1, 3), §30(3,4)

Экспресс-опрос

1. Какие формы существования материи вы знаете?

2. Что изучает космология?

3. Что такое «Большой взрыв»?

4. Каков возраст нашей Вселенной?

5. Что такое эпоха рекомбинации?

6. Какие виды фундаментальных взаимодействий вы знаете?

7. Из каких фундаментальных частиц состоит современная Всеенная?

8. Как называется современная эпоха эволюции нашей Метагалактики?

9. Что такое реликтовое излучение?

10. Что такое эпоха инфляции Вселенной?

Сегодня мы имеем уже достаточно полную хронологическую картину ранней истории Вселенной, начиная с невообразимо малых долей секунды после Большого взрыва, объясняющую происхождение элементарных частиц и химических элементов. Давайте прокрутим события в обратной хронологии, начиная с 1 миллиарда лет после Большого взрыва (все сроки весьма условны) и вплоть до самого взрыва.

^ 1 миллиард лет

Началось формирование галактик. Впервые в истории Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы наблюдаем сегодня. Уже следующее поколение сверхмощных телескопов позволит нам рассмотреть галактики, удаленные настолько, что они предстанут перед нами на стадии непосредственно после их рождения.

300 000 лет

Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны начали прочно удерживаться ядрами и появились стабильные атомы, не распадающиеся сразу же после соударения со следующим ядром. Постепенно формирование атомов из моря свободных ядер и электронов привело к образованию всего многообразия наблюдаемых нами сегодня во Вселенной химических элементов.

До образования первых атомов Вселенная состояла из непрозрачной и плотной ядерно-электронной плазмы. Любые сгустки такой плазмы, едва начав образовываться под воздействием сил гравитационного притяжения, тут же разрушались под воздействием энергии поглощаемого ими излучения. После формирования атомов пространство Вселенной стало прозрачным, а вещество — достаточно разреженным для образования устойчивых сгустков материи под воздействием сил гравитационного притяжения. Увы, уже слишком разреженным для начала формирования галактик, и этот парадокс, получивший название галактическая проблема, явился самым весомым аргументом против теории Большого взрыва. Проблема эта, однако же, устраняется, если ввести в сценарий формирования Вселенной темную материю. Тогда можно считать, что первичные ядра галактик образовались именно из этой невидимой темной материи (свойства которой принципиально отличаются от свойств обычной материи) еще до формирования атомов, а образовавшиеся позже атомы «прилепились» к уже готовым протогалактикам, состоящим из темного вещества.

3 минуты

В первые три минуты существования Вселенной, стоило двум элементарным частицам — протону и нейтрону, например, — образовать ядро, как оно тут же разбивалось при следующем столкновении. Начиная с четвертой минуты Вселенная остыла до такой степени, что энергий столкновения стало недостаточно для разрыва внутриядерных связей, и стали образовываться стабильные ядра. Итак, в первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц, а по прошествии трех минут в нем стало появляться всё больше островков-ядер.

В процессе соударений с новыми элементарными частицами ядра постепенно утяжелялись за счет прикрепления к ним каждый раз протона или нейтрона. Однако на этой стадии сформировались ядра лишь самых легких химических элементов, поскольку вскоре Вселенная расширилась уже настолько, что столкновения стали огромной редкостью. То, что теория Большого взрыва верно предсказывает соотношение ядер этих легких элементов, сформировавшихся за время короткого «окна» первичного нуклеосинтеза, является надежным (и очень красивым) подтверждением правильности этой теории.

10–5секунды

В этот момент — примерно через одну стотысячную долю секунды после запуска механизма рождения Вселенной — кварки слились в элементарные частицы (см. Кварки и восьмеричный путь). До этого Вселенная представляла собой компактное море из кварков и лептонов; с этого момента она превратилась в остывающий океан элементарных частиц.

10–10секунды

Эта отметка знаменует новую серию этапных превращений — началось великое объединение фундаментальных сил (см. Универсальные теории). Именно в это мгновение произошло объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. До этого момента во Вселенной действовало три силы; теперь их стало четыре. Энергии, присутствующие во Вселенной в этот момент, соответствуют максимальным энергиям, которые могут быть развиты в современных земных ускорителях. Поэтому всё, что было изложено мною выше, в принципе поддается экспериментальной проверке; всё дальнейшее — чистые гипотезы.

10–35секунды

При этих температурах объединились сильное и электрослабое взаимодействия. До этой доли мгновения во Вселенной действовало две силы, после него их стало три. В тот же миг началось скачкообразное расширение, которое называется инфляционным (см. Инфляционная стадия расширения Вселенной), продолжавшееся до отметки 10–32 cекунды. Одновременно из Вселенной исчезли античастицы.

^ Квантовая хромодинамика и Стандартная модель описывают поведение материи при невероятно высоких энергиях, существовавших во Вселенной через 10–35 секунды после ее зарождения. И эти теории проверены экспериментально, но при более низких энергиях. Все теории Ранней Вселенной не идут дальше этого момента.

10–43секунды

Теоретики предполагают, что в этот миг произошло объединение гравитации с другими силами. До этого во Вселенной действовала единая и неделимая сила. Именно механизм перехода от одной к двум фундаментальным силам взаимодействия и пытаются описать универсальные теории. Что было до этого мгновения? Об этом мы можем только догадываться. Как и составителям средневековых географических карт, нам остается только написать: «Осторожно, там чудовища!»