Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Проникнув в накопленную в ходе этих работ сокровищницу ядерных знаний, космологи применили их к решению задачи о происхождении элементов.

Игры космологов

В космологических вычислениях было два основных направления. Первое связано с расширением Вселенной. Из эйнштейновской общей теории относительности мы знаем, что параметры этого расширения определяются количеством вещества, энергии и излучения во Вселенной.

Второе направление касается ядерных реакций. Их ход зависит от температуры и плотности вещества – характеристик, которые можно получить из космологических уравнений. Как только мы определим эти переменные, вычисления условий образования элементов становятся относительно рутинными: просто берём количество атомов элемента и находим, сколько его образуется и сколько переходит в другие элементы в каждый момент времени.

Математический аппарат, необходимый для изучения нуклеосинтеза элементов в ранней Вселенной (формально это решение системы дифференциальных уравнений) используется в науке повсеместно: в инженерном деле, в экономике, фактически – почти в любой области, где требуется исследовать изменения во времени. Он применялся даже для изучения реакции человечества на гипотетический зомби-апокалипсис (эта задача вообще-то служит прекрасным примером исследования вспышек эпидемий).[33]

В решении сложных и запутанных систем уравнений учёным хорошо помогают компьютеры. Вычисления, которые с огромным трудом производились вручную в 1940-х, сейчас выполняются современными компьютерами за несколько секунд. Немного программирования – и любой сможет воспроизвести процесс образования тяжёлых элементов… или, что ещё восхитительнее, поиграть в творца Вселенной и модифицировать её основные параметры, такие как скорость расширения Вселенной или состав вещества. Если набраться храбрости, можно даже изменить законы квантовой механики и ввести другие способы взаимодействия частиц. Попробуйте! Может получиться прикольно! Правда, не забудьте, что для физика слово «прикольно» имеет значение, немного отличное от общепринятого.

Однако, сколько бы вы ни играли с параметрами ранней Вселенной, вам быстро станет ясно одно: в горячей и плотной среде Большого Взрыва образование элементов идёт крайне неэффективно. «Дейтериевое бутылочное горлышко» ставит жёсткий барьер на пути формирования тяжёлых ядер, и в результате нуклеосинтеза во Вселенной остаётся только главным образом водород, чуть-чуть гелия и еле заметные следы других элементов. Придётся-таки повозиться с составом ранней Вселенной, чтобы суметь радикально изменить эту ситуацию.

Космологи наконец осознали: Большой Взрыв, как мы его понимаем, не мог породить всего того разнообразия элементов, которое мы видим вокруг себя сегодня. Быстрое охлаждение Вселенной в процессе её расширения и замедляющее действие «дейтериевого бутылочного горлышка» означают, что после образования гелия и очень маленького количества лития Вселенная должна была выдохнуться. Космологи по-прежнему не могли понять, откуда взялись остальные элементы – углерод, кислород, золото, уран… Но нашлось другое очевидное место, где царили огромные температуры и плотности, необходимые для производства новых элементов, – недра звёзд! Однако физика, описывающая эти среды, была такой же странной и экзотичной, как физика самого Большого Взрыва. Требовалось ещё много работы с новыми уравнениями – и хорошие мозги, которые бы эту работу выполняли.

Итак, через первые несколько минут после Большого Взрыва космологическая ядерная печь погасла, и Вселенная продолжала расширяться и остывать. Остывало и оставшееся в ней излучение.

Вселенная постепенно погружалась во тьму, где царила гравитация, стягивая вещество в глыбы и кучи. Масса в форме тёмной материи, доминирующая масса Вселенной, затаившаяся на задворках Большого Взрыва, сформировала зародыши первых галактик. За ней потянулось и обычное вещество (атомы, возникшие в ходе творения). Газ охлаждался и коллапсировал, сжимаясь до огромных давлений и доводя температуру в ядрах газовых конденсаций до экстремальных значений. Родились первые звёзды. Вселенная осветилась и вошла в современную эпоху. Мир квантов играл в этом главную роль: без него звёзды не сияли бы.

Часть 2Квант космоса: настоящее