I ! II I М I ! ■ I ! | И II I

| -*- Вымораживание мезонов | | I I j!

ю'

ю

j | Нарушение симметрии между протонами

| ] и нейтронами, начинают образовываться ядра

4—1-*-~.i Л.. „L............. \.. Ui-i—1 1- L_4—4-4-i.--!-

ю94

| Прекращается рождение электрон-позитронных пар

7 I 10 4

Ядра гелия становятся абсолютно стабильными

1 000 000 4

loooool

Ядра и электроны начинают объединяться в атомы

j Н^чина(от Ьбфазрвь)ва|ъс^ мрле'кулы | ■*■ I

10000-^

.].. I... |.. Атомы становятся стабильными ^_

! Вольфрам конденсируется

| Вольфрам затвердевает

юоо 4

j Молекулы воды становятся устойчивыми

I! |: Вода конденсируется! | | I I | Вода замерзает

Возраст Вселенной

10"*с 10 ³ с 1с 1000 с 10⁶с

0,1 100 100 000 100 000 000 лет лет лет лет

Рис. 5.1. Как остывала Вселенная

5.1. Возникновение и развитие Вселенной: научная КОСМОЛОГИЯ 211

ядра, а также легких элементарных частиц — электронов, фотонов и нейтрино. Высокая температура еще некоторое время поддержива­ла взаимопревращения нейтронов и протонов, однако когда возраст Вселенной достиг 1 секунды, а температура опустилась до 10 млрд градусов, нарушилась и эта симметрия. Реакции «протон -» нейтрон» стали тормозиться (поскольку нейтрон несколько тяжелее протона) и через 3 секунды прекратились полностью. За это время количество нейтронов уменьшилось до 15-20% от числа протонов, и если бы де­ла пошли так и дальше, через два-три часа (свободный нейтрон рас­падается в среднем за 16 минут, см. п. 3.3.3.3) нейтронов во Вселен­ной практически не осталось бы.

Последствия были бы поистине ужасны. Единственный химиче­ский элемент, ядра атомов которого не содержат нейтронов, — водо­род. Вселенная могла бы состоять из одного водорода, и в этом случае не было бы ни звезд, ни планет, ни живых существ. Однако космоло­гическая история похожа на многосерийный боевик, в каждой серии которого хотя и совершается несколько убийств, главные герои неиз­менно остаются живыми, чтобы появиться в следующих сериях.

Роль палочки-выручалочки для нейтронов сыграли реакции их объединения с протонами в альфа-частицы — ядра атомов гелия. Ре­акции эти шли и раньше, но возникавшие альфа-частицы тут же раз­рушались из-за слишком высокой температуры. Когда же температу­ра упала настолько, что нейтроны стали «вымерзать», одновременно ядра гелия приобрели способность выдерживать потерявшие свою силу удары окружающих частиц. За короткое время, несколько се­кунд, все нейтроны были связаны в ядра гелия. В ядре же они могут существовать бесконечно. Именно благодаря этому убежищу до на­ших дней дожило достаточно нейтронов, чтобы обеспечить образова­ние химических элементов помимо водорода.

Итак, через 3-5 минут после рождения Вселенная имела темпера­туру около миллиарда градусов, плотность 100 000 кг/м³ (в 15 раз больше плотности стали) и была заполнена протонами (ядрами водо­рода), альфа-частицами (ядрами гелия), а также электронами, ней­трино и электромагнитным излучением (фотонами).

5.1.6. Происхождение химических элементов

Для образования атома необходимо, чтобы атомное ядро связалось с достаточным количеством электронов. Долгое время это было невоз­можно из-за слишком высокой температуры — любой атом, возник-

ljuluiuuiiiilillllUIIUlilllUIIIUUUIIIlllllllllllllUllllllllllillllUilUlilUlllllllllllllllllUllllllllllllllllUIIIIIIUI

212 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.1. Возникновение и развитие Вселенной: научная космология 213

нув, тут же был бы разбит на ядро и электроны в столкновениях с| другими частицами. Лишь когда возраст Вселенной достиг примернб| миллиона лет, а температура опустилась до нескольких тысяч граду-.?! сов, атомы стали устойчивыми. Вселенная оказалась заполненной! разреженной (10~²³ кг/м³) газовой смесью из 30% гелия и 70% водо-1 рода (по массе; по количеству атомов пропорция была примерно;! 10:90). Астрономические наблюдения подтверждают этот вывод.

Откуда же взялись все остальные элементы? Наиболее распро-1 страненные из них образовались в термоядерных реакциях внутри? звезд. Легким ядрам энергетически выгодно сливаться в более тяже-1 лые (термоядерный синтез). Проблема, однако, в том, что выгоду | обеспечивает сильное ядерное взаимодействие — сильное, но корот­кодействующее. Чтобы реакция слияния произошла, ядрам сначала! надо преодолеть дальнодействующие силы электростатического от­талкивания — ведь каждое ядро заряжено положительно. Преодо- 1 леть электростатический барьер они могут только с разгону, поэтому Jj термоядерный синтез идет лишь при достаточно высоких температу­рах (и давлениях).

Именно термоядерные реакции являются источниками энергии звезд. В них последовательно образуются химические элементы от бора до железа. Более тяжелые элементы при спокойном протекании щ термоядерных реакций не возникают: это оказывается энергетически невыгодным. Железо — наиболее устойчивый элемент в смысле ста­бильности атомного ядра.

Когда звезда исчерпывает запас термоядерного горючего, распи­рающее ее давление горячего газа не может больше противостоять | гравитационным силам. Внешние слои звезды начинают падать к ее центру, сильно сжимаясь и нагреваясь. Создаются условия для очень быстрого термоядерного горения остатков легких элементов — тер­моядерного взрыва. Мы наблюдаем такое как вспышку Сверхновой звезды, когда она внезапно начинает сиять как сотни миллиардов | обычных звезд. Взрыв Сверхновой рассеивает по космосу углерод, кислород, азот и другие элементы, «сваренные» в термоядерном кот­ле. Кроме того, во время взрыва возникают столь интенсивные пото­ки энергичных частиц, что при их столкновениях синтезируются и ядра элементов более тяжелых, чем железо. Поскольку в состав Зем­ли входит почти вся таблица Менделеева, это означает, что мы с вами состоим из вещества, разметанного по Вселенной вспышками Сверх­новых первого поколения.

5.1.7. Происхождение структур Вселенной

Высокая степень изотропности реликтового излучения свидетельст­вует, что в момент, когда Вселенная стала прозрачной (т. е. в возрасте около миллиона лет), вещество в ней было распределено весьма од­нородно. Однако однородное распределение вещества неустойчиво, о чем писал еще Ньютон: «...Если бы вещество было равномерно рас­сеяно по бесконечному пространству... часть его могла бы обратиться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконеч­ное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях по всему этому бесконечному пространству. Так могли образоваться Солнце и неподвижные звезды».

Основная идея космогонии описана Ньютоном правильно.

£ Космогония — наука о происхождении и развитии небесных тел.

Случайно возникавшие неоднородности действительно начинали сжиматься под действием своей собственной гравитации. Правда, моделирование этого процесса с помощью ЭВМ показало, что обра­зуются не сферические тела, а сложная ячеистая структура. Все ве­щество собирается в стенках ячеек, а их объем становится пустым и свободным. Астрономические наблюдения подтвердили крупномас­штабную ячеистую структуру распределения галактик в космосе.

По мере расширения и охлаждения Вселенной становится воз­можным сжатие все более мелких сгустков вещества. Оформляются зародыши галактик, в них начинается образование звезд. Скорость естественного сжатия газового облака мала, особенно на первых Ста­диях. Поэтому современные теории звездообразования привлекают представления о внешнем воздействии, стимулирующем начало сжа­тия. Популярна гипотеза, что звездообразование — это кооператив­ный процесс, распространяющийся в галактической среде подобно спиральной волне в системе Белоусова-Жаботинского (п. 4.8.1.2). Действительно, большинство крупных галактик, в том числе наша Галактика — Млечный Путь, — имеют характерную спиральную форму.

5.1.8. Судьба расширяющейся Вселенной

До недавних пор (1997-1999) считалось, что варианты будущего Все­ленной исчерпываются тремя сценариями (п. 5.1.1), по каждому из которых расширение Вселенной должно замедляться. Суть стан­дартной космологической модели заключается в том, что при нали­чии инфляционного этапа предпочтительным будет третий сценарий:

214 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.1. Возникновение и развитие Вселенной: научная космология 215

пространство-время евклидово (что подтверждается исследования *] ми реликтового излучения, п. 5.1.3), расширение Вселенной останав­ливается, но в бесконечно удаленный момент времени.

С течением времени, однако, становилось все сложнее согласовы-1 вать стандартную модель с астрономическими наблюдениями. Если^ расширение Вселенной замедляется, то вышеприведенная оценка ее j возраста (с. 206) завышена: если в прошлом галактики разбегались J быстрее, им надо было меньше времени, чтобы занять современные } положения. Более точные расчеты в рамках стандартной модели да­ют возраст Вселенной не больше 10 млрд лет. Но астрономам извест- ■ ны шаровые скопления звезд, возраст которых по всем признакам не ■ меньше 10-12 млрд лет. Даже Солнечная система, которая относит­ся к поздним космическим образованиям (прежде чем она возникла, должны были возникнуть, прогореть и взорваться звезды первого по-: коления), начала формироваться не позже чем 5 млрд лет назад.

Вопросов добавили исследования далеких Сверхновых, расстоя­ния до которых исчисляются миллиардами световых лет. Пока их свет летел к Земле, Вселенная успела заметно состариться, что нало­жило отпечаток на его свойства, регистрируемые телескопами. Эти свойства, как оказалось, согласуются с предположением, что расши­рение Вселенной не замедляется, а ускоряется'¹.

Гипотеза ускоряющегося расширения, в пользу которой свиде­тельствует и целый ряд других астрономических исследований по­следних лет, снимает вопрос о недостаточной зрелости Вселенной. Если в прошлом галактики разбегались медленнее, то, чтобы попасть в современные положения, им требовалось больше времени, чем дает оценка (с. 206). Возраст Вселенной в 13-15 млрд лет устраняет все ■ противоречия между космологией и космогонией.

Если подтвердится, что Вселенная расширяется с ускорением (а самые последние данные наблюдений, полученные уже в XXI в.,' подтверждают это), то, значит, Эйнштейн был отчасти прав: «пус­тое» пространство, вакуум, обладает энергией, благодаря которой возникает отталкивающая гравитационная сила². Существует и аль­тернативная, но похожая гипотеза³, что энергия, равномерно распре­деленная в пространстве и приводящая к космологической антигра-

¹ Hogan C.J., KirshnerR. P., SuntzeffN. B. Surveying space-time with supernovae // Scien­
tific American. 1999. № 1. P. 28-33.

² Krauss L. M. Cosmological Antigravity // Scientific American. 1999. № 1. P. 34-41.

³ OstrikerJ. P., Steinhardt P.J. The Quintessential Universe // Scientific American. 2001.
№ 1. P. 36-43.

витации, — это энергия некоторого поля («квинтэссенции»), не обна­руженного до сих пор потому, что оно очень слабо взаимодействует с обычной материей, Эмпирических данных, которые позволяли бы отдать предпочтение одной из этих гипотез, пока что нет. Поэтому космологи предпочитают^потреблять термин «темная энергия», под которым можно понимать и энергию вакуума, и энергию гипотетиче­ской «квинтэссенции» — главное, что и та и другая распределены в пространстве равномерно. Для определенности в дальнейшем мы бу­дем говорить о вакууме, свойства которого изучены лучше.

Пояснить, почему существование «темной энергии» приводит к отталкиванию, можно с помощью следующей, довольно грубой ана­логии. Если бы у Земли внезапно исчезла атмосфера, вес всех пред­метов на ней немного увеличился бы, поскольку исчезает архимедова выталкивающая сила, действующая на все тела, погруженные в воз­дух. Если предмет погрузить не в воздух, а в воду, обладающую боль* шей плотностью (1000 кг/м³ против 1,2 кг/м³ у воздуха), то и потеря веса будет соответственно больше. Среда, в которой находится тело, как бы противодействует силе притяжения Земли, и тем сильнее, чем больше масса самой среды, приходящаяся на единицу объема. Анало­гично, если все тела во Вселенной погружены в некоторую матери­альную среду (вакуум или «квинтэссенцию»), обладающую ненуле­вой энергией, а следовательно, и массой (п. 2.5.5), то сила гравитаци­онного притяжения между ними уменьшается, что воспринимается как наличие, помимо всемирного тяготения, еще и противодейству­ющего ему всемирного отталкивания.

Оценки, основанные на известных астрономам фактах, говорят, что плотность энергии вакуума в настоящую эпоху может быть срав­нима или несколько превосходить среднюю плотность энергии ве­щества. А это означает, что мы живем на переломе космологических эпох. Дело в том, что плотность вещества по мере расширения Все­ленной падает: увеличение размеров вдвое приводит к уменьшению плотности в восемь раз. Вакуум же — он и есть вакуум: его средняя энергия в расчете на единицу объема остается постоянной. Таким об­разом, в будущем во Вселенной будет преобладать энергия вакуума, приводя ко все убыстряющемуся расширению. В прошлом же преоб­ладала энергия вещества. Поэтому стандартная инфляционная мо­дель оказывается приближенно верной для прошлого Вселенной — тем более верной, чем ближе к Большому взрыву.

216 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.2. Возникновение Солнечной системы и Земли 217

5.2. Возникновение Солнечной системы и Земли

Как ни странно, происхождение Солнца и планет мы сегодня пред^: ставляем себе менее детально, чем происхэждение Вселенной. Фор­мирование Солнечной системы было сложным комплексом механиче-^; ских, тепловых, электромагнитных, оптических, ядерных, химических процессов, каждый из которых играл ключевую роль в свой черед.

Таблица 5.1