Вот что такое секунда. За одну секунду в ранней Вселенной сменилось шесть эпох! Шесть эпох - миллиарды лет, сжатых в той самой первой секунде.
Речь идет не о земных изменениях, а о событиях, произошедших в первую секунду после Большого взрыва. Эту первую секунду учёные разбивают на отдельные эпохи. Звучит странно, правда? Но именно в этот крошечный отрезок времени уместились как относительно понятные нам процессы, так и абсолютно неизведанные области, о которых мы можем лишь гадать.
Концепция Большого взрыва появилась благодаря открытию расширения Вселенной. Если галактики разлетаются в разные стороны, значит, в прошлом они были ближе друг к другу. Чем дальше в прошлое, тем выше плотность и температура, тем меньше размер Вселенной. Но бесконечности, сингулярности – это то, чего физики стараются избегать, ведь это говорит о неполноте теории.
Сейчас учёным удаётся обойтись без сингулярностей в описании ранней Вселенной. Но даже если мы избежим бесконечностей, факт остаётся фактом:
В прошлом Вселенная была намного меньше. В какой-то момент она сжимается до размеров Солнечной системы, потом – до нескольких метров, а то и меньше! И тут возникает вопрос: как может Вселенная, которую мы считаем бесконечной, быть размером с футбольный мяч?
Здесь нужно сделать важную оговорку: речь идёт о наблюдаемой Вселенной – той области, которую мы можем видеть, учитывая ограничения скорости света и возраста мироздания.
Почему эта сверхплотная Вселенная не сколлапсировала в чёрную дыру? Дело в том, что плотность – не единственный фактор. Важна разница в плотности, то есть наличие концентрации массы/энергии в определенном объеме пространства, окруженном менее плотной средой. В ранней Вселенной, вероятно, плотность была распределена очень равномерно, и коллапса не произошло. Хотя, конечно, очень маленькие чёрные дыры могли тогда появляться.
Первую секунду жизни Вселенной принято разделять на несколько эпох: планковскую, великого объединения, инфляционную, электрослабую, кварковую и адронную.
Вселенная размером с планктона
Что произойдёт, если резко сжать шарик гидравлическим прессом? Он не только разрушится, но и нагреется. Если вместо шарика взять конструкцию из LEGO, то будут разрушаться не только отдельные детальки, но и вся конструкция целиком. Нечто подобное происходило и со всей Вселенной: чем сильнее сжатие, тем выше температура, то есть энергия в единице объёма пространства. И в какой-то момент компоненты, из которых всё состоит, начали распадаться на мельчайшие частицы.
Если мысленно откатывать назад эволюцию Вселенной, то мы достигнем точки, где, как говорят физики, "наша физика ломается". Это значит, что наши современные теории не могут описать или предсказать поведение Вселенной в этот момент. Самый ранний период, который мы хотя бы пытаемся описать, – это планковская эпоха.
Планковская эпоха – это когда Вселенная была настолько крошечной, что её размер описывается так называемыми планковскими единицами, минимальными значениями времени, длины, массы и так далее. Считается, что она длилась одно "планковское мгновение".
Закончилась эта эпоха примерно через 10⁻⁴³ - 10⁻³⁰ секунды после "рождения" Вселенной. Важно понимать: знания о планковской эпохе – это в основном спекуляции. Чтобы понять, что происходило тогда, нам нужна квантовая гравитация и та самая теория всего. Их пока нет, но есть интересные гипотезы.
Представьте себе вселенную, где нет ничего привычного: ни материи, ни частиц. Только чистая энергия и потенциал. Это и есть планковская эпоха – первые мгновения после Большого взрыва, время, когда законы физики, какими мы их знаем, перестают работать.
Некоторые ученые считают, что тогда вселенная представляла собой "квантовую пену" – хаотичный, бурлящий океан пространства-времени, возможно, даже одиннадцатимерный! Теория струн говорит нам о существовании дополнительных измерений, свернутых в микроскопические структуры. В планковскую эпоху эти измерения могли быть равноправными, прежде чем "свернуться" по мере расширения вселенной.
Другая теория, петлевая квантовая гравитация, предлагает нам образ пространства-времени, состоящего из мельчайших, дискретных "квантовых ячеек". В планковскую эпоху эти ячейки могли формировать то самое одиннадцатимерное пространство, которое затем, став нестабильным, "сколлапсировало" в знакомое нам трехмерное.
А представьте еще одну гипотезу: в планковскую эпоху пространство-время было настолько искривлено, что в нем постоянно рождались и испарялись микроскопические черные дыры. Возможно, это были первые "индивидуальности" во вселенной, первые объекты, пусть и эфемерные.
Но планковская эпоха была очень короткой: всего 10⁻⁴³ секунды. После нее начался период Великого объединения.
Фазовый переход и рождение сил: эпоха Великого объединения
Примерно через 10⁻⁴³ секунды после Большого взрыва произошел фазовый переход, который завершил планковскую эпоху. Самое важное событие этого перехода – разделение "суперсилы".
Гравитация отделилась от остальных фундаментальных взаимодействий.
И хотя эпоха Великого объединения была ненамного длиннее (закончилась между 10⁻³⁶ и 10⁻³⁵ секундами), за это время Вселенная успела расшириться. Температура оставалась запредельной (10²⁷–10²⁸ К), а плотность – невероятной (10⁸⁰ г/см³!). Появляется некое подобие материи, состоящей из "тяжелых X-частиц", предсказанных теорией Великого объединения, которая пытается объединить все фундаментальные силы, кроме гравитации, в одну.
Раздувая Вселенную: эпоха инфляции
Наступает, пожалуй, самый загадочный и удивительный период – эпоха инфляции (10⁻³⁶ – 10⁻³² секунды). За ничтожно малое время Вселенная раздувается с невероятной скоростью, увеличиваясь в размерах в десятки порядков!
Важно помнить, что инфляция – это пока лишь теория, объясняющая некоторые несостыковки в теории Большого взрыва. Например, реликтовое излучение – свет из ранней Вселенной – удивительно однородно. Как противоположные области космоса могли "договориться" о такой однородности, если между ними не было связи из-за ограничения скорости света? Сверхсветовое расширение разнесло далеко друг от друга области, которые раньше находились в контакте.
Эпоха инфляции заканчивается новым фазовым переходом: выделением огромного количества энергии.
Рождение частиц: электрослабая и кварковая эпохи
Сразу после этой эпохи возникают частицы Стандартной модели: W- и Z-бозоны, бозон Хиггса. Вселенная остывает до "скромных" 10¹⁵ К.
Но самое главное – мы переходим к условиям, которые уже можем воспроизводить в лабораторных экспериментах, что позволяет нам увереннее рассуждать о происходящем. Ученые экспериментально подтвердили существование W- и Z-бозонов, а также электрослабую теорию, объединяющую электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия.
Примерно через триллионную долю секунды после Большого взрыва, когда температура падает до 10¹² К, электромагнитное и слабое взаимодействия разделяются. Начинается кварковая эпоха. Формируются кварки – элементарные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, образующие ядра атомов. Помимо кварков, появляются электроны и нейтрино.
Но, несмотря на наличие всех необходимых компонентов, условия все еще слишком экстремальны для образования более сложных частиц. В обычной ситуации кварки не существуют по отдельности, а объединяются в пары или тройки. Почему? Потому что сильное ядерное взаимодействие работает наоборот: чем дальше кварки друг от друга, тем сильнее они притягиваются! Чтобы разорвать эту связь, нужна колоссальная энергия, которая была в кварковую эпоху.
Разрыв пар кварков приводил к выбросу энергии и образованию новых пар "кварк-антикварк". В этот период Вселенная могла находиться в состоянии кварк-глюонной плазмы, что также подтверждено экспериментально.
В это время начался процесс нарушения барионной симметрии, который привел к преобладанию вещества над антивеществом. Предположительно, в начале существования Вселенной вещества и антивещества было поровну. Но при столкновении они аннигилируют, превращаясь в энергию. Тем временем Вселенная продолжала расширяться и остывать.
Собирая пазл: адронная и лептонная эпохи
К концу кварковой эпохи, спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва, температура падает до триллиона градусов. Начинается адронная эпоха. Теперь энергии недостаточно для разделения кварков, и они стабильно существуют в составе адронов, таких как протоны и нейтроны. Адронная эпоха заканчивается спустя секунду после Большого взрыва, после чего начинается лептонная эпоха.
Первая секунда: итоги
Итак, всего за первую секунду существования Вселенная претерпела несколько фазовых переходов, отделились фундаментальные взаимодействия, появились элементарные и составные частицы. Наблюдаемая Вселенная увеличилась до сферы радиусом около 10 световых лет. Но все еще было слишком жарко для образования нейтральных атомов.
Размер Вселенной в этот период все еще остается предметом дискуссий. Изучение первых моментов существования Вселенной сопряжено со значительными трудностями, особенно в первые 380 тысяч лет, когда электромагнитное излучение не позволяет ученым увидеть происходившие процессы.