Каково это стать свидетелем Большого взрыва? Как бы это выглядело?
Когда-то, почти 14 миллиардов лет назад, произошло грандиозное событие.
Появилась Вселенная и всё, что в ней содержится, включая материю, радиацию, экзотические частицы и, возможно, даже более абстрактные понятия, такие как законы времени и физические законы.
Изучая то, как Вселенная эволюционировала во времени, можно начать “двигаться в обратном направлении” и сформировать картину физических условий через миллиард лет, тысячу лет, день, секунду или наносекунду после Большого взрыва. Чем дальше в прошлое, тем более экстремальными были условия и тем быстрее развивалась Вселенная.
Но одно дело понимать уравнения, которые описывают законы нашей Вселенной и совсем другое понять, каково на самом деле быть свидетелем этого? Как бы это выглядело? Что бы вы испытали?
Давайте разберёмся. Сначала мы должны экипировать нашего наблюдателя – назовём её Алисой, поскольку я сейчас слушаю группу “Алиса”, и поскольку это популярное имя для жертв мысленных экспериментов – в Магический Космический Костюм, способный противостоять экстремальным температурам, давлениям, плотностям, радиации и деформациям. Ей также понадобятся солнечные очки, потому что до тех пор, пока Вселенной не исполнился один миллион лет, она была ослепительно яркой.
Вы можете следить за путешествием Алисы в рассказе ниже. Но прежде чем отправиться в путь, нам нужно обсудить несколько моментов.
Откуда мы знаем, что случилось?
Поскольку свет не движется бесконечно быстро, мы видим всё так, как это было в прошлом. Когда вы проверяете свой телефон, вы оглядываетесь на наносекунду назад во времени, поскольку именно столько времени потребовалось частицам, чтобы пройти 30 сантиметров. Когда вы смотрите на Луну, вы смотрите на секунду назад, потому что Луна находится на расстоянии примерно 400 000 километров. И когда вы наблюдаете галактику в миллиарде световых лет, вы на самом деле смотрите на миллиард лет назад.
Мы можем измерить плотность, температуру и другие физические величины Вселенной. Наблюдение за скоростью галактик говорит нам, что Вселенная расширяется. Если мы посчитаем в обратном направлении, мы сможем определить физические условия в более ранние эпохи.
Таким образом, мы можем узнать, что произошло всего за секунду до Большого взрыва. Это потому, что мы можем не только рассчитывать, но и проводить эксперименты на огромных ускорителях частиц, таких как CERN, чтобы воссоздать условия, которые наблюдались в то время, и подтвердить, что мы не ошибаемся.
Но мы ничего не знаем о самой первой доле доли секунды – так называемой “Планковской эпохе”. В это время условия были настолько экстремальными, что физические законы нарушались. Возможно, даже не имеет смысла говорить о пространстве и времени на данном этапе истории Вселенной. Так насколько велика Вселенная?
Бесконечна … Может быть …
Мы не знаем, насколько велика Вселенная. Мы можем видеть только ту её часть, из которой у света было время добраться до нас. Эта часть называется “наблюдаемой Вселенной”, и поскольку её возраст 13,8 миллиарда лет, вы можете подумать, что мы можем смотреть на 13,8 световых лет во всех направлениях. Но поскольку она расширяется, то она несколько больше, на самом деле добрых 46 миллиардов световых лет в любом направлении.
Мы предполагаем, хотя и не уверены, что Вселенная за пределами нашего маленького пузыря существует вечно. Если это правда, то она “родилась” бесконечно большой. Хотя на самом деле имеет физический смысл говорить о бесконечно большой Вселенной, которая растёт или сжимается, её, несомненно, трудно представить. Поэтому мы обычно рассматриваем размер наблюдаемой Вселенной.
Важно знать, что, независимо от размера Вселенной, Большой взрыв не был “взрывом” в том смысле, что плотное скопление вещества начало распространяться в пространстве. Скорее, это было создание пространства и, возможно, самого времени, и последующее расширение этого пространства.
Возникает вопрос: “во что оно расширяется?” и “что снаружи?”. Трудно представить, как расширяется бесконечная Вселенная, не говоря уже о конечной Вселенной, которая не встроена в какое-то большее пространство измерений. Но, тем не менее, это то, что мы думаем, происходит. Другими словами, оно просто расширяется “само по себе”.
Теперь, давайте снова присоединимся к Алисе в момент, когда она начала своё путешествие.
Инфляция в темноте
Как упоминалось выше, мы ничего не знаем о самой первой доле секунды. Однако мы знаем, что всё было чрезвычайно плотным, потому что то, что позже станет нашей наблюдаемой Вселенной, в это время было меньше атомного ядра.
Сначала появилась гравитация, а затем “сильная” ядерная сила. Некоторые экзотические частицы наблюдаются в этой чрезвычайной плотности энергии, в том числе бозон Хиггса, который отвечает за само понятие массы.
Но поначалу Алиса не оценила ничего из этого. Свет ещё не создан, поэтому для неё всё темно.
Внезапно само пространство начинает экспоненциально быстро расширяться.
Эту эру называют “инфляцией”, и когда она закончится, то, что позже станет наблюдаемой Вселенной, за долю секунды выросло из атомного ядра до 20 метров в диаметре. Это всё ещё немного.
Всё, что находится в космосе, должно следовать за расширением. Конечно, кроме волшебного скафандра Алисы и некоторой доли удачи, потому что без неё её голова и ноги, которые в это время намного больше наблюдаемой Вселенной, были бы растянуты на 20 миллиардов световых лет.
После инфляции всё продолжает расширяться. В то же время температура падает. Это похоже на то, когда газ выходит из зажигалки: газ сжимается внутри зажигалки, но когда он выходит, он расширяется и охлаждается.
… и был свет
Во время инфляции Вселенная ненадолго переохлаждается с миллиарда миллиардов миллиардов градусов до почти абсолютного нуля. Но когда инфляция закончится, и Алиса только подумает: “Бррр… становится слишком холодно”, так называемый процесс разогрева снова повышает температуру до 10 миллиардов триллионов градусов. В это время создаются новые виды частиц, в том числе свет в форме фотонов.
Поскольку температура невероятно высока, все частицы очень богаты энергией, и поэтому подавляющее большинство фотонов являются гамма-лучами. Но небольшая часть светового спектра распространяется в виде рентгеновских лучей, ультрафиолетового света и видимого света, что представляет наибольший интерес для Алисы.
Итак, какой первый цвет наблюдает Алиса? Какого цвета был Большой взрыв?
Термин “цвет” на самом деле является психологическим понятием. Цвет, который воспринимает мозг, зависит от распределения света в трёх диапазонах длин волн, воспринимаемых глазами, а именно: красный, зелёный и синий.
Если что-то излучает свет, потому что оно горячее, вы можете рассчитать его спектр, а затем определить его цвет: красный, зелёный и синий. Сама Алиса не такая тёплая, поэтому она в основном излучает слабый инфракрасный свет, а человеческий глаз недостаточно чувствителен, чтобы воспринимать крошечную его часть, которая находится в видимом спектре.
Кусок горячего раскалённого железа излучает в основном красный цвет. Если он становится действительно горячим, он излучает примерно одинаково как красный, так и зелёный и синий, и это воспринимается мозгом как “белый свет”.
Если температура достаточно высока, спектр достигает максимума синего цвета, а в пределе бесконечной температуры цвет приближается к сапфирово-синему оттенку.
Таким образом, то, что Алиса видит вокруг себя, это сапфирово-синий цвет горячего кварк-глюонного плазменного супа, как показано на рисунке ниже.
Космический костюм Алисы, конечно, оснащён электронным измерителем цвета, и она измеряет насыщенность цвета Вселенной до 63, 71 и 100% в красном, зелёном и синем цветах соответственно.
То есть, если бы это сработало, она бы это сделала, но Вселенная всё ещё составляет лишь 1/100 от одной миллионной триллионной доли триллионной доли секунды, а электричество ещё не существует.
Алиса должна подождать полную пикосекунду (0,000000000001 секунд), прежде чем будет создана электромагнитная сила. Это может показаться не долгим ожиданием, но, как мы знаем всё во вселенной относительно. Для Алисы это дополнительное время ожидания в сто квинтиллионов раз больше, чем всё её время в пути до этого момента.
В это время создаётся слабая сила. Это означает, что все четыре силы Вселенной теперь работают, остальные три – это электромагнитная сила, гравитация и “сильная” сила.
Строго говоря, все эти силы уже существовали, но они были объединены в единую объединённую силу, пока не начали разделяться на свои “индивидуальные” силы.
С этими четырьмя силами частицы теперь могут взаимодействовать с бозоном Хиггса и, следовательно, набирать массу. Для Алисы это означает, что она теперь что-то весит. Но так как извращённые стандарты моды не будут существовать еще 13,8 миллиардов лет, она не так обеспокоена этим внезапным увеличением своего веса.
Комочки в супе
Окружение Алисы довольно скучное; всё абсолютно равномерно распределено, поэтому, куда бы она ни смотрела, она видит одно и то же.
Но подождите … крошечные неровности формируются по принципу квантово-механической неопределенности, которая говорит, что существует фундаментальный нижний предел, с точки зрения того, насколько точно можно описать местоположение частицы в определённый момент времени.
Квантовая механика описывает процессы в очень малых масштабах, от размеров атомов и ниже. Но из-за экстремального расширения небольшие неоднородности увеличиваются до значительных размеров.
И какая удача. Если бы всё было совершенно гладко, так было бы всегда. Но вместо этого существуют очень маленькие комочки, которые весят чуть больше, чем их окружение, и поэтому могут притягивать немного больше материи. Это позволяет им расти и в конечном итоге формировать структуры, которые затем превратятся в галактики, звёзды, планеты и, в конечном итоге, в нас.
Тёмная материя на помощь!
Но может ли материя в достаточной степени слипаться, пока расширение не разорвало её? (Внимание спойлер: да, иначе вы бы этого не читали).
На самом деле, если бы единственное, что существовало, было бы то, что Алиса могла видеть, то это не могло бы произойти. Но, к счастью, на каждый грамм материи приходится примерно пять грамм какой-то другой, невидимой материи, которая обеспечивает дополнительную гравитацию, необходимую для слипания вещества. Мы называем это тёмной материей.
В настоящее время Вселенная охладилась до 10 миллионов миллиардов градусов и примерно равна расстоянию от Земли до Солнца сегодня. Глыба, которая однажды превратится в Млечный путь, имеет радиус 100 километров, примерно столько же, сколько Сьерра-Леоне.
Вселенная замедляется
Вселенная продолжает расширяться из-за скорости, которую она приобретает в результате инфляции, но скорость расширения медленно замедляется из-за взаимного притяжения всех частиц.
Однако даже через целую наносекунду после Большого взрыва расширение происходит настолько быстро, что объекты, находящиеся на расстоянии более метра от Алисы, удаляются от нее быстрее, чем движется свет. Всего через микросекунду становится достаточно холодно, чтобы кварки слились с образованием нейтронов и протонов.
Сейчас Вселенная имеет размеры Солнечной системы, но плотность вещества и излучения всё ещё в 1000 раз выше, чем у нейтронной звезды, самого компактного из существующих на сегодняшний день объектов.
Злые близнецы
Алиса теперь видит не только частицы, но и античастицы.
Античастица подобна злому близнецу частицы, и если частица встречает свою античастицу, они оба перестают существовать и создаются новые частицы. Некоторые из этих новых частиц – это фотоны, или свет.
По причинам, которые мы ещё не понимаем, на каждые 10 миллиардов античастиц, которые существовали, было 10 миллиардов и одна частица.
В возрасте одной секунды, Вселенная раздулась до радиуса в 10 световых лет, и все антипротоны были уничтожены протонами, антинейтроны нейтронами и так далее. Крошечный избыток “нормальных” частиц – это то, из чего сегодня состоит видимый космос.
Тёплый и яркий, местами туманный
Проходит еще десять секунд, и электроны и антиэлектроны активны. Вселенная в настоящее время охладилась до нескольких миллиардов градусов, но, поскольку 99,99999999 % всех частиц превращаются в чистый свет, Вселенная внезапно вспыхивает ослепительным светом.
В начале структура имеет адскую плотность, настолько высокую, что Алиса буквально не может увидеть руку перед своим лицом, так как свет постоянно рассеивается электронами.
Но когда внезапно большинство электронов исчезают в (сапфировом) синем цвете, видимость увеличивается до … барабанной дробь … насколько большой она может быть? Газиллион световых лет? Ах, нет, 20 метров. Не очень впечатляет. Но это на самом деле не имеет значения, так как в любом случае увидеть можно ещё не так много.
Через несколько минут температура упала ниже миллиарда градусов, и наступила важная эпоха в истории Вселенной – нуклеосинтез. В настоящее время достаточно холодно, чтобы протоны сливались и образовали более тяжёлые элементы.
Увы, счастье недолговечно: плотность Вселенной уменьшается из-за расширения, и в возрасте 15 минут она имеет примерно такую же плотность, что и вода на Земле. Нуклеосинтез подходит к концу.
Пока только гелий и немного лития успели сформироваться. Все более тяжёлые атомы не будут образовываться в течение ещё сотен миллионов лет в звёздах и их взрывах.
Вот и всё, ребята. Спустя всего четверть часа, Большой взрыв закончился, и теперь ничего особенного не будет происходить на протяжении тысячелетий.
Каждый раз, когда нейтральный атом пытается сформироваться, электрон немедленно отрывается высокоэнергетическим фотоном. Но в возрасте 380 000 лет температура Вселенной упала до 3000 градусов, приобрела приятный оранжево-красный оттенок и стала настолько холодной, что атомы водорода могут оставаться нейтральными.
Следовательно, туманная электронная завеса поднимается, и свет уходит – отделяется – от материи.
Послесвечение Большого взрыва
Диаметр Вселенной сейчас составляет почти миллион световых лет, и свет свободно распространяется по всей Вселенной, как это происходит сегодня.
Глыбы материи, которые увидела Алиса, выросли, но во время отделения всё ещё очень малы; самые плотные регионы в 1/100 000 раз плотнее, чем самые разбавленные. Тем не менее, этого достаточно, чтобы испускаемое излучение не имело всюду одинаковую длину волны.
И этот свет – нерегулярное послесвечение Большого взрыва, известное как “космический микроволновый фон”, – теперь самая отдалённая вещь, которую мы можем видеть. Многое из того, что мы знаем о Большом взрыве и о Вселенной в целом, мы почерпнули из изучения этого света.
Хронология Большого взрыва (и история Вселенной)
Алиса отлично провела время и теперь может положить свой скафандр и солнцезащитные очки обратно на полку.
Если за время чтения этой статьи вы заблудились в пространстве и времени, вы найдёте расширенный график Большого взрыва (и остальной части истории Вселенной) по ссылке ниже.
