Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Нам незачем задерживаться, и мы продолжим путь. Через 10^–4 секунды Вселенная достигает размера нашей Солнечной системы, и в ней «упакованы» все сегодняшние 10⁷⁸ частиц; температура составляет 1 триллион кельвинов, а плотность равна плотности атомного ядра. Как мы уже отмечали, в тот момент, когда кварки находятся в такой тесноте, возникает сильное взаимодействие, и они сливаются в триплеты, образуя протоны и нейтроны. До этого фотоны настолько энергичны, что могут разбить эти тройки на части, но по мере того, как Вселенная «остывает» до 1 триллиона градусов, это становится невозможным – протоны и нейтроны оказываются в безопасности, а свободные кварки изгоняются из космоса.

Конечно, до этого тоже происходит немало интересных событий. Когда Вселенной исполняется 1 микросекунда (10^–6 с), ее температура составляет 10 триллионов кельвинов, а ее плотность в 1000 раз превышает плотность атомного ядра. Сложных частиц еще нет – у нас лишь главные строительные блоки: кварки, электроны, их античастицы и фотоны (плюс обилие малополезных нейтрино). Хотя космологические модели позволяют нам зайти в исследовании прошлого еще дальше, пока что нас вполне устроит Вселенная размером с большую звезду – очень горячая, очень плотная и состоящая исключительно из аморфных частиц. Вероятно, именно здесь раскрывается таинственная асимметрия между веществом и антивеществом, благодаря которой мы и получили материал, из которого сделано все на свете.

Эта модель описывает условия, очень далекие от нашей повседневной жизни – но это вовсе не безудержные спекуляции. Они основаны на хорошо известной нам физике, тщательно проверенной в наших лабораториях и в ускорителях частиц. Слияние кварков в протоны и нейтроны, аннигиляция вещества и антивещества, образование ядер атомов, помимо Водорода, формирование нейтральных атомов – все это хорошо изученные явления. Температура и крошечные флуктуации космического микроволнового фонового излучения, относительное содержание каждого из легких ядер и масштабная структура современной Вселенной – все это жестко ограничивает условия, преобладавшие в первые моменты существования космоса. В частности, мы представляем себе историю кварков и лептонов за все 13,8 миллиарда лет, миновавших с микросекунды (t = 10^–6 с) до настоящего времени. И теперь, когда мы знаем ее, нам выпала честь обратиться к самим атомам, созданным из этих элементарных частиц, и попросить их поведать нам историю нашего мира.

Эпилог: История кварка

На протяжении всей этой книги присутствие, отсутствие, возбуждение и преображение крошечных атомов позволяло нам воссоздать истории, связанные с нашей культурой, нашей планетой и нашей Вселенной. Однако у каждого из них есть своя собственная история, и если учесть, насколько стабильны их составляющие, она восходит к началу времен. Сказка-притча, приведенная ниже, подведет итог всему, что нам удалось узнать.

Я – верхний кварк. Я родился на свет в хаотическом квантовом супе, когда Вселенной исполнилась одна микросекунда, и меня тут же привлекла – или, можно даже сказать, притянула – пара из двух кварков, верхнего и нижнего. Мы втроем тут же поладили, объединились, образовали неразрывную связь и стали одним из первых протонов во Вселенной. По прошествии ста долгих микросекунд наш протон лоб в лоб столкнулся с одним чересчур энергичным электроном, вследствие чего последний был незамедлительно поглощен, нейтрализовал наш положительный заряд и образовал нейтрон. Впрочем, когда Вселенной было уже тридцать секунд, мои спутники-кварки и я, заскучав в этом нейтральном состоянии, избавились от электрона (иными словами, наш нейтрон претерпел бета-распад) и вернулись к нашей фундаментальной «протонности».

Прошло еще несколько секунд, и случилось новое столкновение – к нам прикрепился другой нейтрон, образовав дейтерий. Но увы! Пара мгновений, и в нас влетел фотон (какая многолюдная вечеринка!) – и мы снова разлучились. Однако через минуту мы нашли новый нейтрон, и на этот раз связь стала более прочной – Вселенная расширилась, у фотонов растянулись длины волн, и ни одному из них уже не хватало энергии, чтобы оторвать нас друг от друга. Наш протон и нейтрон – настолько привлекательная пара, что все так и просятся к нам на вечеринку; через несколько секунд появляется еще одно ядро дейтерия, и мы быстро формируем ядерную семью из четырех частиц – стабильное ядро Гелия.