Читать книгу "Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон"

От начала мира прошла одна миллионная доля секунды.

Итак, за это время Вселенная выросла от мельчайшей частицы точки в конце этого предложения до размеров нынешней Солнечной системы. А это область размером почти триста миллиардов километров, или более ста восьмидесяти миллиардов миль в поперечнике.

Как мы измеряем температуру

Может, вы уже знаете, что есть несколько различных способов измерять температуру. В Соединенных Штатах мы пользуемся градусами Фаренгейта, в Европе и большей части остального мира привыкли к градусам Цельсия[2]. Астрофизики применяют шкалу Кельвина – на ней ноль градусов – это настоящий ноль, ниже него температура быть не может. Так что триллион градусов Кельвина – это чуть побольше, чем триллион градусов Фаренгейта или Цельсия. Нет, я не имею ничего против других температурных шкал – в повседневной жизни меня вполне устраивает Фаренгейт. Но, когда я думаю о Вселенной, мне нужны только Кельвины.

Триллион градусов Кельвина – это во много раз горячее поверхности Солнца. Но по сравнению с самым первым мгновением после Большого взрыва его можно считать прохладой. Тепленькая Вселенная уже не была достаточно горячей и плотной, чтобы образовывать новые кварки, а все уже созданные крепко обхватили своих партнеров и стали объединяться в более тяжелые частицы. Такие комбинации кварков вскоре привели к появлению знакомых нам форм вещества: протонов и нейтронов.

К этому времени от начала мира прошла одна секунда.

Вселенная разрослась до размера в несколько световых лет – примерно на таком расстоянии от ближайших к нему звезд сейчас находится Солнце. Температура ее упала до миллиарда градусов, и в ней все еще очень жарко – достаточно жарко, чтобы приготовить маленькие электроны и их античастицы, позитроны. Эти частицы внезапно возникают, аннигилируют друг с другом и снова исчезают. Но то же самое правило, которое действовало для других частиц, справедливо и для электронов: один на миллиард все-таки выживает.

Простой рецепт приготовления вещества Вселенной

1. Начните с кварков и лептонов.

2. Слепите кварки вместе, чтобы получились протоны и нейтроны.

1 Из протонов, нейтронов и электронов (отрицательно заряженных лептонов) постройте ваши первые атомы.

4. Смешайте эти атомы, чтобы получились молекулы.

5. Собирая молекулы в различных сочетаниях и формах, создайте планеты, цветы и людей.

Остальные взаимно уничтожаются.

Температура космоса падает ниже ста миллионов градусов, что все еще намного горячее нынешней поверхности Солнца.

Частицы большего размера начинают сплавляться друг с другом. Основные ингредиенты тех самых атомов, которые сегодня составляют весь видимый мир: звезды и планеты, деревья и дома за окном, носки твоего друга, мои усы, – соединяются в одно целое. Протоны сплавляются с другими протонами и еще с нейтронами, образуя центры атомов – атомные ядра.

От начала мира прошло уже две минуты.

Как правило, носящийся по Вселенной электрон притягивается к протонам и ядрам. У электронов есть отрицательный заряд. У протонов и ядер заряды положительные, а противоположности притягиваются. Почему у одних частиц заряд положительный, а у других отрицательный? И почему, спросите вы, противоположности притягиваются?

Ответ простой: потому.

Четыре фундаментальные силы

Вот четыре фундаментальные силы, которые управляют нашей Вселенной.

1. Тяготение – о нем вы уже знаете.

2. Мощная сила, которая удерживает частицы вместе в центре атома.

3. Слабая сила, заставляющая атом разваливаться и выделять энергию. Вообще-то она не такая уж слабая. Она гораздо сильнее тяготения. Но все же она не такая сильная, как мощная сила из предыдущего пункта.

4. Электромагнитная сила притягивает отрицательно заряженный электрон к положительно заряженному протону в центре атома. Она же связывает несколько атомов в молекулу.

Простой итог: тяготение связывает крупные тела, а остальные три силы действуют на маленькие частицы.

Я бы и рад дать вам ответ получше этого. Но Вселенная не обязана иметь какой-то смысл – она нам ничего не обещала. Я могу только сказать, что много, очень много лет научных исследований подтверждают, что все устроено именно так.

Зная об этом их свойстве, можно было бы сделать вывод, что протоны и электроны должны намертво приклеиться друг к другу. Однако на протяжении тысяч лет Вселенная оставалась еще слишком горячей, чтобы это могло случиться. Электроны носились в пространстве сами по себе, изо всех сил пиная попадающиеся им по дороге фотоны – это вообще любимое занятие свободных электронов.

Все это кончилось, когда температура Вселенной упала ниже 3000 градусов Кельвина (примерно вдвое холоднее поверхности Солнца) и все свободные электроны соединились с положительно заряженными протонами. Когда это случилось, все фотоны смогли пересекать Вселенную беспрепятственно – и этот свет современные ученые все еще могут регистрировать. Мы поговорим об этом подробнее в главе 3.

От начала мира прошло триста восемьдесят тысяч лет.

А Вселенная продолжала расширяться, как воздушный шарик, который никак не лопнет. Расширяясь, она охлаждалась, и тяготение постепенно принялось за работу. Первые несколько сотен тысяч лет частицы беспорядочно носились повсюду, как расшалившиеся малыши на детской площадке. Но потом гравитация начала стягивать вещество в космические города – галактики.

Что такое заряд?

У каждого человека есть какие-то качества и особенности. Кто-то может быть приветливым, а кто-то угрюмым. Эти свойства помогают нам как-то характеризовать других людей. Заряд – одно из основных свойств материи. У некоторых частиц, например у протонов, имеется положительный заряд. У других частиц заряд отрицательный. А некоторые частицы, например нейтроны, вообще не имеют никакого заряда. Когда две частицы обладают одинаковым зарядом, они отталкиваются друг от друга. А если у них заряды противоположные, как у протона и электрона, тогда они друг к другу притягиваются.

Образовалось около ста миллиардов галактик.

В каждой из них были сотни миллиардов звезд.

Каждая звезда действовала на манер кастрюли-скороварки: в ее недрах микрочастицы все теснее и теснее связывались друг с другом, образуя все более тяжелые элементы.