Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Читателю уже, наверное, интересно, каким образом наше рассуждение об эмбриологии человека связано с расширением Вселенной. Нашей целью в данном случае является практическая демонстрация возможностей логарифмического масштаба. Этим инструментом мы будем пользоваться часто. Например, давайте применим его к рождению и эволюции всей Вселенной — самой антропоморфической аналогии, какую только можно представить. Зарождение Вселенной в процессе колоссального взрыва, известного как горячий Большой взрыв, играет роль момента зачатия (или, быть может, полового акта), а современная Вселенная аналогична взрослому человеку.
'Мафусаил — в Библии один из патриархов, сын Еноха, дед Ноя, проживший 969 лет. — Прим. пер. Жизнь в логарифмическом масштабе времени
59
_і_
ЗАЧАТИЕ
10
-10
10 3-
10
ОПЛОДОТВОРЕННОЕ ЯЙЦО
СВОБОДНАЯ БЛАСТОЦИСТА
¦10 3
-10 2
10
1 -'
10 .
ПРИКРЕПЛЕННАЯ БЛАСТОЦИСТА
ЭМБРИОН
УТРОБНЫЙ ПЛОД
МЛАДЕНЕЦ
РЕБЕНОК
ПОДРОСТОК ВЗРОСЛЫЙ
¦10 -1
.10
100-
-100
Рис. 2. Жизнь в логарифмическом масштабе времени.
В эволюции Вселенной, с момента ее создания 20 миллиардов лет назад, можно выделить семь периодов. Первый период — это Вселенная в первую микросекунду своего существования. Она настолько горяча, что способны выжить только самые основные строительные блоки материи. Это Эпоха Кварков и Глюонов. На первом этапе именно этой эпохи возникла приверженность не к антиматерии, а к материи 60
Жизнь в логарифмическом масштабе времени 60
как доминирующей составляющей современной Вселенной. С течением времени Вселенная расширяется и остывает. Наступает некоторый момент, когда кварки могут соединиться друг с другом, чтобы образовать нейтроны, протоны и их античастицы. Эта Эпоха Нуклонов и Антинуклонов продолжается с микросекунды примерно до сотой доли секунды. В это время, по-прежнему оставаясь невероятно горячей, Вселенная уже достаточно остыла, чтобы произошла взаимная аннигиляция нуклонов и антинуклонов. Выживают лишь несколько лишних нуклонов; гораздо позднее они станут основой материи в том виде, в каком знаем ее мы. На этом этапе развития в составе Вселенной преобладают электроны, позитроны и нейтрино — это Эпоха «Пептонов, и она продолжается, пока Вселенной не исполнится примерно 100 секунд.
В этот момент одновременно начинает происходить несколько важных событий. Их суммарное действие приводит к образованию простых атомных ядер, типа ядер гелия и лития. В конце этого периода, Эпохи Ядерного Синтеза, материя Вселенной состоит примерно из 74 процентов протонов (ядер водорода), 25 процентов ядер гелия и 1 процента более тяжелых атомных ядер. Этот процесс завершается, когда Вселенной исполняется примерно 1 ООО секунд. По окончании четвертой фазы эволюции Вселенной заканчивается большая часть реорганизации материи и энергии. Готов помост для создания звезд, галактик, планет и еще более экзотических тел, составляющих небесную панораму. Однако температура Вселенной все еще слишком высока, чтобы эти объекты могли сформироваться: это Эпоха Ионов, когда Вселенная представляет собой горячую, однородную и непрозрачную плазму. В логарифмическом масштабе времени это пока самый длинный из семи периодов развития Вселенной. Он длится десять в десятой степени секунд: от возраста в тысячу секунд до IO13 секунд (или 500000 лет).
Эпоха Ионов — это время расширения и охлаждения. Ничего особенно интересного не происходит, пока температура не понижается до жуткого холода в 3 000° Цельсия — около половины температуры поверхности Солнца.
Наступил момент, когда ионы захватывают электроны, чем начинают Эпоху Атомов. Внезапно, загадочно, повсюду и сразу Вселенная становится прозрачной. Свет может беспрепятственно распространяться от одной точки к другой. Вселенная превратилась в разреженный гелиево-водородный газ, который по-прежнему расширяется и по-прежнему остывает. В конце концов, происходит своего рода конденсация. Небольшие аномалии в гигантском облаке газа увеличиваются. Наконец, когда Вселенной исполняется несколько сотен миллионов лет, первичные флуктуации становятся огромными: они эволюционировали в светящиеся небесные тела, которые по-прежнему вызывают изумле- Жизнь в логарифмическом масштабе времени
61
ниє у любопытного вида, живущего на планете, называемой Землей. Начался седьмой период: Эпоха Звезд и Галактик. Наконец-то мы достигли современной Вселенной, имеющей возраст около 20 миллиардов лет.
Сейчас температура нашей Вселенной составляет порядка — 270°С, что, кстати говоря, всего лишь на три градуса выше предельного холода или того, что ученые называют «абсолютным нулем температуры». Вероятно, вы заметили, что на Земле, на самом деле, не так холодно; таких морозов не бывает даже зимой в Новой Англии1. Ага, да нам просто повезло, что мы живем всего лишь в IO13 см от скромной звезды — Солнца. Если бы Земля вдруг отделилась от Солнечной системы и оказалась бы на полпути в никуда, то очень скоро мы обнаружили бы, насколько холодна наша Вселенная в действительности. Семь периодов роста и развития Вселенной отражены на рисунке 3. Обратите внимание на то, что долгая Эпоха Ионов разделяет историю Вселенной на два главных раздела: очень молодая Вселенная, содержащая экзотический словарь физики элементарных частиц, и современная Вселенная экспериментальной астрономии. (Кстати, не расстраивайтесь, если вам неведома разница между кварком и глюоном.. .очень скоро мы вернемся к этим «тварям».) Молодая Вселенная — это место, где пересекаются физика элементарных частиц, общая относительность и астрономия. Сегодня люди, работающие в этой области (неонатальные2 космологи?), ловят кайф. Это время открытий и радостного волнения. Быть может, ученым действительно удастся понять раннюю историю Вселенной, наблюдать которую не представляется возможным. Лекторы часто обсуждают первую IO-42 долю секунды после Большого взрыва, и никто их не высмеивает. А теперь будьте внимательны: попробуйте заговорить о времени до Большого взрыва, и вас поднимут на смех. Подобная метафизическая концепция — табу для физика. Свое логарифмическое представление мы придумали не для того, чтобы выталкивать реальный момент Большого взрыва в бесконечность.
