Сразу после Большого взрыва Вселенная была более энергичной, чем когда-либо. Как это было?
Когда мы сегодня смотрим на Вселенную, мы видим, что она полна звезд и галактик во всех направлениях и во всех точках пространства. Однако Вселенная не статична; далекие галактики связаны вместе в группы и скопления, причем эти группы и скопления удаляются друг от друга, как часть расширяющейся Вселенной. По мере того, как Вселенная расширяется, она становится не только более разреженной, но и более холодной, так как отдельные фотоны смещаются в сторону более красных длин волн, путешествуя в пространстве.
Но это означает, что если мы оглянемся назад во времени, Вселенная была не только плотнее, но и горячее. Если мы вернемся к самым ранним моментам, к которым применимо это описание, к первым моментам Большого Взрыва, мы придем к Вселенной такой, какой она была в самый разгар. Вот каково было жить в то время.
В современной Вселенной частицы подчиняются определенным правилам. Большинство из них имеют массу, соответствующую общему количеству внутренней энергии, присущей существованию этой частицы. Они могут быть материей (для фермионов), антиматерией (для антифермионов) или ни тем, ни другим (для бозонов). Некоторые частицы не имеют массы, а это требует, чтобы они двигались со скоростью света.
Всякий раз, когда соответствующие пары материи/антиматерии сталкиваются друг с другом, они могут спонтанно аннигилировать, обычно производя два безмассовых фотона. И когда вы сталкиваете вместе любые две частицы с достаточно большим количеством энергии, есть шанс, что вы можете спонтанно создать новые пары частиц материи/антиматерии. Пока энергии достаточно, согласно эйнштейновскому E=mc², мы можем превращать энергию в материю и наоборот.
Ну, раньше все было иначе! При чрезвычайно высоких энергиях, которые мы наблюдаем на самых ранних стадиях Большого взрыва, каждая частица в Стандартной модели была безмассовой. При этих температурах полностью восстанавливается симметрия Хиггса, придающая частицам массы при ее нарушении. Слишком жарко не только для образования атомов и связанных атомных ядер, но даже для отдельных протонов и нейтронов невозможно; Вселенная представляет собой горячую плотную плазму, наполненную всеми частицами и античастицами, которые могут существовать.
Энергии настолько высоки, что даже самые призрачные из известных частиц и античастиц, нейтрино и антинейтрино, сталкиваются с другими частицами чаще, чем когда-либо. Каждая частица сталкивается с другой бесчисленное количество триллионов раз в микросекунду, и все они движутся со скоростью света.
В дополнение к известным нам частицам вполне могут существовать дополнительные частицы (и античастицы), о которых мы сегодня не знаем. Вселенная была намного горячее и более энергична - в миллион раз больше, чем космические лучи с самой высокой энергией, и в триллионы раз сильнее, чем энергии БАК, - чем все, что мы можем наблюдать на Земле. Если во Вселенной есть дополнительные частицы, в том числе:
- суперсимметричные частицы,
- частицы, предсказанные теориями Великого объединения,
- частицы, доступные через большие или искривленные дополнительные измерения,
- более мелкие частицы, из которых состоят те, которые мы сейчас считаем фундаментальными,
- тяжелые, правые нейтрино,
- или множество частиц-кандидатов в темную материю,
их создала молодая Вселенная после Большого Взрыва.
Что примечательно, так это то, что, несмотря на эти невероятные энергии и плотности, есть предел. Вселенная никогда не была произвольно горячей и плотной, и у нас есть данные наблюдений, подтверждающие это. Сегодня мы можем наблюдать Космический Микроволновый Фон: оставшееся свечение излучения Большого Взрыва. Хотя это одинаковые 2,725 К везде и во всех направлениях, в них есть крошечные колебания: колебания всего в десятки или сотни микрокельвинов. Благодаря спутнику Planck мы нанесли это на карту с необычайной точностью, с угловым разрешением всего 0,07 градуса.
Спектр и величина этих флуктуаций говорят нам кое-что о максимальной температуре, которой Вселенная могла достичь на самых ранних, самых горячих стадиях Большого взрыва: у нее есть верхний предел. В физике самая высокая возможная энергия находится на планковской шкале, которая составляет около 10¹⁹ ГэВ, где ГэВ - это энергия, необходимая для ускорения одного электрона до потенциала в один миллиард вольт. За пределами этих энергий законы физики больше не имеют смысла.
Но, учитывая карту флуктуаций космического микроволнового фона, мы можем заключить, что эти температуры никогда не достигались. Максимальная температура, которой когда-либо могла достичь наша Вселенная, как показывают флуктуации космического микроволнового фона, составляет всего ~10¹⁶ ГэВ, или в 1000 раз меньше планковского масштаба. Иными словами, Вселенная имела максимальную температуру, которой она могла достичь, и она значительно ниже планковского масштаба.
Эти флуктуации не просто говорят нам о самой высокой температуре, достигнутой горячим Большим Взрывом; они говорят нам, какие семена были посажены во Вселенной, чтобы вырасти в космическую структуру, которую мы имеем сегодня.
Холодные пятна холодны, потому что свет имеет немного больший гравитационный потенциал, из которого хорошо выбраться, что соответствует области с плотностью выше средней. Горячие точки, соответственно, приходятся на регионы с плотностью населения ниже средней. Со временем холодные пятна вырастут в галактики, группы и скопления галактик и помогут сформировать великую космическую паутину. С другой стороны, горячие точки отдадут свою материю более плотным областям, превратившись за миллиарды лет в огромные космические пустоты. Семена структуры были заложены на самых ранних, самых горячих стадиях Большого Взрыва.
Более того, как только вы достигаете максимальной температуры, достижимой в ранней Вселенной, она немедленно начинает стремительно падать. Точно так же, как воздушный шар расширяется, когда вы наполняете его горячим воздухом, потому что молекулы обладают большой энергией и отталкиваются от стенок воздушного шара, ткань пространства расширяется, когда вы наполняете его горячими частицами, античастицами и излучением.
И всякий раз, когда Вселенная расширяется, она также охлаждается. Помните, что энергия излучения пропорциональна длине волны: расстоянию, которое проходит волна, чтобы совершить одно колебание. По мере того, как ткань пространства растягивается, длина волны тоже растягивается, приводя это излучение к все более и более низким энергиям. Более низкие энергии соответствуют более низким температурам, и, следовательно, Вселенная становится не только менее плотной, но и менее горячей с течением времени.
В начале горячего Большого взрыва Вселенная достигает своего самого горячего и плотного состояния и заполняется материей, антиматерией и излучением. Несовершенства Вселенной - почти идеально однородны, но с неоднородностями 1-30 000 - говорят нам, насколько горячей она могла стать, а также дают семена, из которых вырастет крупномасштабная структура Вселенной. Сразу же Вселенная начинает расширяться и остывать, становится менее горячей и менее плотной, что затрудняет создание чего-либо, требующего большого запаса энергии. E=mc² означает, что без достаточного количества энергии вы не можете создать частицу заданной массы.
Со временем расширяющаяся и охлаждающаяся Вселенная вызовет огромное количество изменений. Но на одно короткое мгновение все было симметрично и максимально энергично. Каким-то образом со временем эти начальные условия создали всю Вселенную.
Дальнейшее чтение:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?