Нагревая лед

Температура это одна из наиболее важных характеристик в физике. Я хочу рассказать, насколько определяющую роль может играть температура в нашем мироздании. Изменяя этот параметр, можно полностью изменить свойства материи. Я предлагаю изучить влияние всего спектра температур на какой-нибудь вполне обычный объект из нашей повседневной жизни. Вы удивитесь тому, насколько далеко, можно зайти в подобных размышлениях. Для опытного образца мы возьмем кусок льда. Его размеры не имеют значения, можно просто абстрактно представить себе лед, как первое что приходит вам в голову, когда вы слышите это слово. Лаборатория, в которой мы будем проводить эксперименты, так же не имеет значения, потому что таких лабораторий и не существует. Мы планируем изучить все температурные условия, даже самые экстремальные, недоступные ни в одной лаборатории при текущем развитии техники. Кроме того в этом рассказе я планирую пренебречь давлением окружающей среды, хотя оно тоже играет не маловажную роль, иногда даже полностью изменяя свойства вещества; о таких явлениях я упомяну отдельно. Подобные идеальные условия может предоставить только мысленный эксперимент, но если он опирается на твердую научную основу, то в его достоверности не стоит сомневаться. Хочу еще предупредить о том, что иногда я буду преднамеренно упрощать описание некоторых явлений, при этом оставляя не тронутой их суть. Специалисты, с негодованием отметив некомпетентность автора, все равно поймут, о чем идет речь, если мой рассказ вообще вызовет у них интерес. Зато для простых читателей он станет гораздо более доступным, без технических тонкостей, к делу не относящихся. Для наглядности описываемых явлений я сделал вкладки с иллюстрациями. Они так же помогут вспомнить необходимые в нашем обсуждении понятия из школьной программы, которые, вероятно, многие уже успели позабыть.

Итак, в наличии мы имеем кусок льда, пусть его температура будет где-то в пределах -10 ̊С. Если мы продолжим его охлаждать то не получим принципиально новых состояний. Вплоть до -273 ̊С, лед останется льдом. Разве что при температуре -200 ̊С его кристаллическая решетка изменится, отчего лед станет немного более плотным и прочным. Охлаждать лед ниже температуры -273 ̊С не имеет смысла, да это у нас собственно и не получится. Температуру равную -273 ̊С, называют абсолютным нулем, при ней все молекулы в веществе практически полностью останавливаются. Ведь что такое температура? Это средняя скорость движения частиц, из которых сделано вещество. Даже в твердом теле, таком как лед, молекулы всегда совершают небольшие колебания в пределах кристаллической решетки, которые только усиливаются с повышением температуры. Некоторым будет интересно узнать, а есть ли у температуры верхний предел. Современные физические теории говорят, что такой тоже имеется. Давайте попытаемся достичь его, для этого начнем нагревать лед.

В твердом теле действуют межмолекулярные химические силы, которые заставляют выстраиваться молекулы в определенном порядке. Таким образом, формируется кристаллическая решетка, при этом форма решетки и ее прочность зависит от свойств молекулы вещества. Нагревая лед, мы вскоре достигнем температуры в 0 ̊С. При такой температуре, интенсивность вибраций молекул настолько велика, что кристаллическая решетка не выдерживает и разрушается. Молекулы теперь свободно двигаются, но между ними продолжают действовать межмолекулярные химические силы, которые притягивают их, поэтому они по-прежнему не могут далеко друг от друга удалиться. Вот таким образом получается жидкая вода. Мы наблюдаем, как плавиться лед, но более правильным было бы следующее высказывание: вещество испытывает фазовый переход. Это универсальное понятие, которое применяют, когда вещество из одной фазы переходит в другую, предлагаю использовать его в дальнейшем.

Продолжаем нагревать воду. Этот незамысловатый процесс мы запускаем всякий раз, когда готовим себе пищу. Что же происходит в тот момент с водой, когда ее температура достигает 100 ̊С? Она кипит, но как мы с вами и договорились, лучше сказать испытывает очередной фазовый переход. Молекулы в жидкости начинают двигаться настолько быстро, что их энергии теперь достаточно даже для того чтобы преодолеть  межмолекулярные химические силы. Теперь они свободно покидают жидкость и начинают хаотически двигаться в пространстве, образуя при этом газ. Таким образом, вода превращается в пар.

С описанием превращений воды мы познакомились еще в школе, собственно на этом рассказ заканчивался, и нам не рассказывали, что происходит при дальнейшем повышении температуры. Многие думают, что нет последующих фазовых переходов и единственное, что будет происходить с повышением температуры, это увеличение давления пара. На самом деле, при температуре свыше 3000 ̊С, произойдет новый фазовый переход, водяной пар начнет распадаться на кислород и водород. При такой температуре молекула воды начинает разделяться на молекулы водорода и кислорода. А когда мы поднимем температуру до 4000 ̊С, то даже эти молекулы начнут распадаться. Молекулы водорода и кислорода состоят из двух соответствующих атомов этих элементов. Атомы удерживает вместе межатомная химическая сила, которая гораздо сильней межмолекулярной. Однако и она больше не в силах справится с энергией движения атомов, создаваемой температурой. В итоге молекулы этих газов разваливаются, и мы получаем состояние, которое называют атомарным газом, где атомы по отдельности хаотически движутся в пространстве.

Уже начиная с 3000 ̊С электроны в атомах начинает срывать с их орбит. Когда мы повышаем температуру до 6000 ̊С, то атомы лишаются всех своих электронов. Теперь электроны хаотично движутся вместе с атомными ядрами. Такое состояние вещества называют плазмой. Если атомы полностью теряют электронные оболочки то это горячая плазма, если частично, то холодная. Получается что уже при температуре в 3000 ̊С мы получаем холодную плазму. На самом деле, холодная плазма не такое, уж редкое состояние, у некоторых веществ оно может протекать и при меньшей температуре. Пламя – вот один из примеров холодной плазмы. Горение это химический процесс, когда вещество вступает в реакцию с кислородом, при этом на время образуется холодная плазма. Между прочим, температура горения водорода как раз 3000 ̊С. Водород и кислород нагреваясь до такой температуры, вступают в реакцию, и затем, охлаждаясь, превращаются в водяной пар. В свою очередь состояние горячей плазмы можно получить только в лабораторных условиях, в естественных условиях на земле горячую плазму не встретить. Однако все вещество на солнце пребывает как раз в состоянии горячей плазмы.

Увеличиваем температуру дальше, вещество в состоянии плазмы устойчиво и не происходит никаких изменений до температур в 10 миллионов ̊С. При достижении такого температурного режима, атомные ядра начинают вступать в реакции термоядерного синтеза. Атомное ядро, как известно, состоит из протонов и нейтронов, которые сдерживают вместе ядерные силы. Но почему же, тогда вещество состоит из отдельных атомов, а не слипается в одно большое атомное ядро под воздействием этих сил? Дело в том, что протоны имеют положительный заряд и поэтому отталкиваются. Их взаимная неприязнь тем сильнее, чем ближе они подходят другу к другу. В свою очередь ядерные силы возникают только при совсем маленьких расстояниях. Поэтому в обычных условиях ядерного синтеза не происходит, причина тому отталкивание между протонами, которое не дает сблизиться ядрам. Но когда температура достигает отметки 10 миллионов ̊С, энергия движения ядер настолько велика, что они преодолевают силу отталкивания и подходят друг к другу на расстояния, где вступает в действие ядерная сила. Таким образом, атомные ядра начинают сливаться, образуя все более тяжелые элементы. Водород превращается в гелий, а при дальнейшем увеличении температуры гелий превратится в углерод и так далее. Именно эти процессы происходят внутри звезд, в том числе и нашего солнца, где могут поддерживаться соответствующие температуры. Когда ядра объединяются, их суммарная масса становится меньше, чем когда они были по отдельности. Утерянная масса превращается в энергию и собственно, поэтому звезды светят. Между прочим, таким же образом выделяется энергия в химических реакциях. Атомы, объединяясь в молекулы, тоже теряют в массе. Однако, с учетом того что химические связи намного слабее ядерных, то и энергии выделяется меньше, причем в миллион раз. Если бы человечество смогло обуздать термоядерный синтез, то мы бы получили топливо в миллион раз эффективней нефти.

Процесс образования новых элементов останавливается на железе, потому что это самый стабильный элемент. Ядра тяжелей железа становятся нестабильными и разрушаются при таких температурах. Они могут возникать только, когда происходит скачек температур в момент взрыва звезды. Взрыв приводит к стремительному расширению материи, что вызывает резкое охлаждение, и образовавшиеся элементы тяжелее железа уже не могут распасться. В общем когда в нашем опытном образце мы поднимем температуру до 3 миллиардов ̊С, то получим раскаленную железную плазму. Чтобы изменить что-то в сложившейся ситуации температуру придется увеличить до 10 миллиардов ̊С. Когда в центре звезды температура приближается к такому значению, то именно в этот момент происходит взрыв, который называют сверхновой. Нам же взрыв совсем не нужен, потому что он приведет к охлаждению нашего образца. Напомню, что мы пренебрегли давлением окружающей среды в нашем мысленном эксперименте, когда обсуждали химические превращения, предлагаю продолжить эту тенденцию. Без давления взрыва не случится. Теперь, когда энергия движения частиц становится настолько сильной, она способна преодолеть даже ядерные силы, самые сильные в природе. Ядра железа разваливаются на отдельные протоны и нейтроны. Нейтроны, которые не состоят в ядерной связи с протонами, тоже становятся нестабильными и в течение 15 минут каждый свободный нейтрон распадается, оставляя на своем месте по одному протону и электрону. Теперь наш образец состоит из одних только протонов и электронов, хаотически двигающихся в пространстве. Поскольку ядро водорода состоит всего из одного протона, то это состояние можно считать сверхгорячей водородной плазмой.

Однако внутри звезд при такой температуре, с учетом высокого давления, все происходит наоборот, протоны объединяются с электронами, образуя нейтроны. Вот один из примеров, когда давление играет определяющую роль, предлагаю рассмотреть этот вариант. Нейтроны при таких давлениях стабильны, поскольку ядерная сила, действующая между ними, удерживает их от распада. Таким образом, нейтроны образуют объект очень высокой плотности. Один кубический сантиметр этого вещества весит миллиард тонн. Такое преобразование происходит в центре массивных звезд, когда их температура достигает 10 миллиардов ̊С и ядра железа буквально в мгновение превращаются в нейтронное вещество, это вызывает импульс гигантской силы, за счет которого и происходит взрыв звезды. Вспышки сверхновых настолько мощные, что способны затмить яркость всей галактики. От звезды останется только огарок в виде маленького, но невероятно плотного объекта из нейтронного вещества, который называют нейтронной звездой или пульсаром. Если же звезда была очень массивной, то даже состояние нейтронного вещества не сможет удержать этот остаток от дальнейшего сжатия и тогда формируется черная дыра. Подобная взрывоопасная участь ждет только массивные звезды, смерть нашего солнца будет менее эффектной. Чем меньше масса звезды, тем меньше ее внутреннее давление, и соответственно меньше температура. Солнце не настолько горячее, чтобы внутри него гелий смог превращаться в углерод. Поэтому в конце своей жизни оно просто сбросит верхние слои в космос и все что от него останется это спрессованный гелиевый шар.

Мы же пренебрегли давлением, и все нейтроны распались, после чего наш образец стал представлять собой хаос протонов и электронов. Однако нельзя сказать, что мы полностью разбили материю на ее составляющие. Протоны не элементарные частицы, они, как и нейтроны состоят из трех кварков. Ядерные силы действующие между кварками настолько сильны, что даже при температуре в 10 миллиардов ̊С еще способны удерживать их вместе. Чтобы разбить протоны, нужна температура в 1 триллион ̊С. Но даже после этого ядерные силы между кварками еще продолжат влиять на свойства вещества. Все дело в том, что ядерные силы между кварками весьма необычны, и чем дальше кварки удаляются друг от друга, тем сильнее эти силы. Поэтому то, что мы получим, по свойствам будет напоминать жидкость, в которой происходит нечто похожее: несмотря на свободное движение, молекулы внутри жидкости не могут далеко удаляться друг от друга. И все-таки такое состояние вещества называют плазмой (кварк-глюонной плазмой, если быть более точным), хоть и свойства плазмы ближе к газу, чем к жидкости. Иногда в шутку употребляют название кварковый супом. Хочется отметить, что помимо кварков в этом супе продолжают плавать электроны, которые как и кварки являются неделимыми частицами.

Теперь стоит отвлечься от нагревания и поговорить от тех самых силах, преодоление которых способствует фазовым переходам в состоянии вещества. Всего в природе существует четыре фундаментальные силы, которые формируют весь наш мир. Первая – электромагнитная, благодаря ей противоположные заряды притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Именно она ответственна за межмолекулярные и межатомные связи. Она удерживает отрицательно заряженные электроны на орбитах в атоме, за счет притяжения положительно заряженным ядром. Она заставляет атомы группироваться в молекулы, и из-за нее образуются кристаллические решетки. Кроме того она ответственна за все химические реакции, поэтому биохимические процессы в клетках вашего организма, были бы просто невозможны без электромагнитной силы. И все это не говоря уже о том, насколько мы зависим от практического использования этой силы. Вторая сила это сильная ядерная сила, именно она удерживает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Именно благодаря ей в природе существует разнообразие химических элементов, потому что отличаются химические элементы друг от друга только количеством протонов внутри ядра. К сведению, элементы, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами, они отличаются по массе, но все их химические свойства идентичны. Ну и наконец, эта же сила удерживает кварки внутри протонов и нейтронов. Третья сила – слабая ядерная сила, из-за нее распадается нейтрон, находящийся в свободном состоянии. Так же она инициирует распад тяжелых ядер, таких как уран, и это она ответственна за радиацию. Кроме того именно за счет нее начинается первая стадия термоядерных реакций, когда водород превращается в гелий. Поскольку ядро водорода содержит один протон, а ядро гелия два протона и два нейтрона, не понятно, откуда берутся нейтроны. В процессе сливания учувствуют четыре протона, два из которых под воздействием слабых ядреных сил превращаются в нейтроны. В результате действия этой силы при высоких давлениях протоны сливаются с электронами, и превращают центр звезды в сверхплотное нейтронное вещество, что приводит к взрыву сверхновой. Существует еще четвертая сила, известная нам с самого детства, гравитация, но она настолько слаба, что пока ей вообще можно пренебречь. Ее сила в том, что она универсальна и только притягивает. Любой объект подвержен силе гравитации, причем дальность ее действия не ограничена. Гравитация важна в космических масштабах, где она способна формировать планеты, звезды и галактики.

Еще одно важное замечание, которые нужно сделать, говоря о силах, это рассказать, что их вызывает. Причиной всех сил является обмен частицами. Так например, когда электрон и протон притягиваются, они постоянно обмениваются фотонами, мы же воспринимаем это как электромагнитную силу. Когда кварки притягиваются, то они обмениваются глюонами, а мы воспринимаем это как сильную ядерную силу. Фотоны и глюоны не имеют массы и их называют бозонами. Другими словами бозоны - это частицы сил. В свою очередь кварки и электроны относят в категорию, которую называют: фермионы, частицы материи. Бозоны обладают уникальным свойством, множество частиц такого рода могут одновременно занимать одно, и тоже место в пространстве. Природные силы как раз и существуют за счет этого принципа.

Возвращаясь к нашему сверхгорячему объекту, который находится в состоянии кваркового супа, можно добавить, что внутри этого супа находятся не только кварки и электроны, но еще фотоны и глюоны (поэтому его и называют не кварковая плазма, а кварк-глюонная плазма). При столь высоких температурах вклад бозонов в общую энергию среды становиться даже больше чем вклад фермионов, поэтому мы не будем забывать о них в дальнейших рассуждениях. Про кварк-глюонную плазму можно добавить лишь то, что в естественных условиях она встречается только в центре нейтронных звезд, где создается за счет экстремального давления внутри этих объектов.

Существуют так же частицы ответственные за слабые ядерные силы. Их называют слабыми бозонами, и они, в отличие от остальных бозонов, имеют массу. Слабые бозоны очень тяжелые, их масса в 100 раз больше массы протона. Из-за нее, слабые бозоны нестабильны и не могут распространяться на большие расстояния, поэтому слабая сила не такая как другие силы. Она не порождает притяжения или отталкивания. За то она может изменять частицы, в большинстве случаев мы воспринимаем это как распад. Когда нейтрон в атоме урана превращается в протон и электрон, ядро урана делиться на части, в результате высвобождается ядерная энергия. На этом принципе работают все атомные электростанции и ядреные бомбы.

Зачем нам знать все эти подробности из физики элементарных частиц. Это нужно для того, чтобы понять, что происходит при температурах, свыше 10 000 000 000 000 000 ̊С. Теперь мы будем оперировать очень большими числами, они сложны для восприятия при обычной записи, поэтому в дальнейшем я буду использовать степень десятки. Например, 106 – это миллион, 109 – миллиард, а 1012 – триллион. Чтобы лучше понимать эти числа, просто представляйте количество нулей после единицы, которое равно показателю степени. Температура, к которой мы подошли, в подобной записи, будет иметь вид 1016 ̊С. Чем же она особенна? Как показывают последние исследования в области высоких энергий, при такой температуре все частицы лишаются массы. Причем это касается не только кварков и электронов, но и слабых бозонов. Что интересно, после того как слабые бозоны лишаются массы, они по своим свойствам становятся неразличимы с фотонами. С точки зрения квантовой механики если свойства частиц неразличимы, то это одни и те же частицы, ибо другого способа отличить их не существует. К свойствам частиц относятся заряды, масса и вращательный момент. Между прочим, фермионы отличаются от бозонов как раз характером вращения. Если у двух частиц все эти характеристики одинаковые, то это один и тот же тип частиц. Учитывая, что фотоны и слабые бозоны теперь представляют один тип, то между электромагнитными и слабыми ядерными силами, которые порождаются ими, тоже исчезают различия. Теперь между частицами действует единая, как ее назвали, электрослабая сила. Отныне, благодаря этой силе, частицы в нашем раскаленном образце начинают постоянное взаимопревращение друг в друга. Кварки и электроны в этом высокоэнергетическом хаосе бешено движутся и беспрестанно изменяются.

Мы же не останавливаемся на достигнутом, и продолжаем повышать температуру. Но перед этим не помешало бы ответить на вопрос, чем кварки отличаются от электронов. Их отличие в том, что помимо электрического заряда кварки обладают еще одним типом заряда, который называют цветовым. Цветовой заряд отличается от электрического тем, что имеет не два полюса, плюс и минус, а целых три. Их принято называть красным, зеленым, и синим. Естественно никаких цветов кварки не имеют это просто абстрактные названия, для обозначения полюсов. Разные полюса всегда притягиваются, поэтому кварки стремятся объединиться по трое, как это происходит в протоне и нейтроне. Такое состояние называют белым, то есть нейтральным с точки зрения цветового заряда. Однако если протон с нейтроном подойдут достаточно близко друг к другу, то кварки смогут перетекать из одной частицы в другую, это и есть та причина, по которой формируются атомные ядра. Если же вы попытаетесь разбить протон на отдельные кварки, то у вас все равно ничего не получится, какой бы мощностью вы не обладали для достижения своей цели. Все дело в том, что глюоны, за счет обмена которыми, притягиваются кварки, тоже имеют цветовой заряд. Фотоны же, которые ответственны за электромагнитную силу, электрическим зарядом не обладают, поэтому радиус электромагнитной силы в принципе неограничен, но ослабевает с расстоянием. Из-за чего, кстати, фотоны могут свободно улетать в пространство, и мы воспринимаем их как свет или радиоволны. Глюоны в свою очередь сами испытывают притяжение и не могут далеко отходить от кварка. Чем дальше они попытаются удалиться, тем больше им нужна энергия, поэтому сильные ядерные силы между кварками, только увеличиваются с расстоянием. А значит все, чего мы добьемся, в попытках разбить протон, это только временно увеличим его в размерах, после чего цветовые заряды вновь притянут кварки друг к другу. Иначе дело обстоит, если мы имеем кучу протонов, как в сверхгорячей водородной плазме, которую мы получили при температуре в 1 триллион ̊С, в таких условиях протоны все-таки разбиваются. Кварки начинают свободно перетекать в такой среде, но они по-прежнему не могут далеко удалиться друг от друга, как молекулы в жидкости, так и получается кварк-глюоная плазма. В ускорителях кварк-глюоную плазму, тоже получают не при столкновении отдельных протонов, для этого приходится сталкивать целые ядра тяжелых элементов, таких как золото.

Так вот, когда мы в своем эксперименте получим температуру в 1028 ̊С, цветовой заряд, который ответственен за такое странное поведение кварков, исчезнет. Теперь кварки не будут отличаться от электронов, а глюоны, не будут отличаться от фотонов. Таким образом, сильные ядерные силы объединятся с электромагнитными (точнее на этот момент мы имеем уже не электромагнитные, а электрослабые силы). Получается, что при температуре в 1028 ̊С три фундаментальные силы объединены в одну, которую иногда называют электроядерная. Что касается частиц, то раз между кварками и электронами нет разницы, то мы наблюдаем единые фермионы, а вся материя теперь представляет собой однородную субстанцию.

Наконец мы вплотную подошли к температурному пределу, который составляет 1032 ̊С. Его называют планковской температурой. Предполагается, что при такой температуре, остававшаяся до сих пор в стороне, гравитация должна объединиться с остальными силами, которые на этот момент уже едины в лице электроядерной. Почему же только предполагается? А потому что физика еще не имеет теории, которая описала бы этот процесс. Тут твердая почва научной основы для нашего мысленного эксперимента становится рыхлой и уже нельзя говорить, что все, о чем дальше пойдет речь строго доказанный факт. Однако большинство теоретических исследований предсказывает, что нечто подобное в действительности должно быть, хотя мы еще не знаем как это доказать.

Прежде чем вернуться к объединению гравитации с остальной природой, необходимо немного узнать о ней. Теория относительности объяснила нам, что гравитация это искривление пространства-времени. Это было неоднократно доказано. В действительности время на орбите земли течет немного быстрее, чем на поверхности, потому что воздействие гравитации земли там слабее. Пусть это незначительные миллионные доли секунд, но этот эффект подтверждает что гравитация это всего лишь искажение нашего континуума. Удивительно, но параллельные прямые так же должны незначительно расходиться, за счет гравитации земли. Гравитация солнца еще сильнее, чем гравитация земли, и все эти эффекты вблизи солнца должны быть заметней. Но, как уже говорилось, сама по себе гравитация настолько слаба, что крошечный магнит при помощи электромагнитной силы, может поднять с земли скрепку, которую гравитационно притягивают к себе все атомы, из которых состоит земля. Однако, что интересно, гравитация зависит не только от массы, но и от плотности объекта. Чем ближе частицы расположены друг к другу в объекте, тем сильнее гравитационное поле они создают. Получается, что имея одно и тоже количество частиц, мы можем увеличивать силу гравитации, просто сжимая объект, который составляют эти частицы. И когда его гравитация станет настолько сильной, что превзойдет все остальные силы, тогда мы получим объект, который называется черной дырой.

В начале рассказа я упомянул, что давление является важным фактором при нагревании веществ. Например вода на поверхности Эвереста закипает уже при температуре 70 ̊С, потому что там меньше атмосферное давление. Так же мы знаем, что с ростом температуры, растет давление внутри газа, поэтому он стремится увеличиться в объеме. Эти характеристики тесно связаны, и все экстремальные температуры, существующие в нашей вселенной, достигаются именно за счет давления. Будь то миллионы градусов в центре солнца, где начинаются термоядерные реакции, или кварк-глюонная плазма в центре нейтронных звезд, причина всех этих температур давление. Получается в центре черной дыры, создается такая температура, что гравитация объединяется с остальными силами.

Но в теории объединить гравитацию с остальными силами не так то просто, ведь гравитация является искривлением пространства-времени, а остальные силы возникают из-за обмена частиц. Квантовая механика требует, чтобы таким образом описывались все силы, поэтому для гравитации тоже придумали частиц-переносчиков и назвали их гравитонами. Их энергия столь мала, что наши технологии не могут их зарегистрировать, но даже в теории гравитоны вызывают противоречие, поскольку квантовая механика требует, чтобы они распространялись в ровном пространстве и в равномерном времени. До сих пор никто из ученых не знает, как связать искривление пространства-времени с гравитонами. Последние теоретические выкладки предполагают, что все частицы и их свойства, то есть масса и заряды, являются какими-то необычными, но стабильными состояниями самого пространства-времени. Предполагалось, что это могут быть струны или петли, в которые заворачивается пространство-время. Мы до сих пор не установили, что же собой представляют частицы, но знаем, что они как-то должны происходить из пространства-времени. Наиболее радикальные идеи предполагают, что и пространство, и время, и частицы, это все проявления какой-то единой сущности.

Так что же происходит, когда при температуре 1032 ̊С гравитация объединяется с остальными силами. Прежде всего, все частицы должны объединиться. Больше нет различий между фермионами, бозонами и гравитонами. А если между частицами сил и частицами материи нет разницы, значит, силы объединяются с материей. Многие предполагают, что тут мы встречаемся с энергией в чистом виде. Скорей всего все характеристики частиц тоже пропадают, а у них к тому времени только то и останутся, что электрический заряд, да еще вращательный момент. Получается, что все физические явления вселенной объединилась в лице единых частиц. Кроме того при такой температуре само пространство-время начинает закипать, поскольку гравитация тесно связана с его свойствами. Время перестает течь, а в пространстве уже невозможно четко выделить его измерения: длину, ширину, высоту. Исходя из последних гипотез, можно допустить, что время и пространство полностью объединяются в единую сущность и все различия между ними исчезают. Сами частицы при таких условиях должны проявить свою истинную природу и если они являются производными пространства-времени, то вероятно, должны раствориться в такой единой сущности. Вот он – температурный предел, дальше поднять температуру просто не получится, потому что, для этой единой сущности вообще неприменимо такое понятие как температура. Что это за единая сущность, и правдивы ли гипотезы о ней, для нашего рассказа не столь важно. Мы, будучи существами пространственно-временными сможем воспринимать ее только как кипящее пространство-время. Не скажу, что для описания планковской температуры такое понятие, как кипящее пространство-время вносит какую-то ясность, но оно гораздо конкретней, и не противоречит завету монаха Оккамы, который гласит «не плоди сущностей сверхнеобходимого».

Внимание стоит уделить тому, что при Большом взрыве, в котором родилась наша вселенная, все произошло наоборот, нежели с нашим экспериментальным образцом. Изначально вселенная была совсем крошечная или, как следует из теории относительности, вообще имела нулевой размер. Когда начался Большой взрыв ее температура была как раз 1032 ̊С, затем вселенная начала расширяться давление внутри нее падало, температура снижалась. Одна за другой, разделились фундаментальные силы, частицы приобрели свои характеристики. После чего образовалась кварк-глюонная плазма. Температура падала, и кварки начали собираться в протоны и нейтроны. Потом образовались ядра легких элементов, таких как гелий. Вскоре температура уже не препятствовала захвату ядрами электронов, так возникли первые атомы. В основном это был водород и немного гелия, которое потом под воздействием гравитации образовали газовые облака. Газовые облака сжались и зажглись звезды, внутри которых в термоядерных реакциях рождались ядра тяжелых элементов, таких как углерод, кислород и всех остальных не тяжелей железа. Когда все топливо внутри этих звезд сгорело, то они взорвались. В результате таких колоссальных взрывов образовались остальные тяжелые элементы, включая золото, свинец и другие, самый тяжелый из которых был уран. Все элементы раскидало в космосе взрывной волной. Кроме того такие взрывы воздействовали на соседние газовые облака, которые теряли равновесное состояние, и начинали сжиматься за счет гравитации. Это привело к тому, что начали возникать новые звезды, а тяжелые элементы, которые теперь в достатке присутствовали в межзвездном пространстве, оседали на их орбитах. Эти элементы позже сформировали планеты. Излучение звезды и слабое давление атмосферы создало благоприятные условия для химических реакций на поверхности планет. Атомы стали группироваться в различные сложные молекулы, образуя тем самым невероятное многообразие веществ. Некоторые из молекул получились настолько сложными, что могли полностью воспроизводить себя, нам известна, по крайней мере, одна из таких молекул, мы называем ее ДНК. В итоге своего охлаждения вселенная превратилась в весьма необычный и разнообразный «лед», которым мы так любим восхищаться, глядя на зелень лесов, вершины гор, или устремив свой взор в глубины галактики. Более того мы сами являемся частью этого «льда». Вопрос в том, почему из вселенной после охлаждения с планковской температуры получился именно такой «лед».

В качестве материала для достижения планковской температуры я выбрал лед, как наиболее простое вещество, чтобы наглядно показать все процессы от химических, до субъядерных, которые происходят при повышении температуры. Мы могли использовать любой другой объект и все равно при температуре 1032 ̊С добились бы того же состояния, в котором пребывала вселенная в начале Большого взрыва. Так почему же после большого взрыва могло получиться что угодно, а возникла наша вселенная. Чтобы ответить на этот вопрос необходимо узнать, что же на самом деле произойдет, если мы сумеем нагреть вещество до температуры в 1032 ̊С. Физики на нашем месте спросили бы, что происходит, при получении планковской энергии, потому что при таких экстремальных условиях термин температура становиться не совсем корректным. Поэтому вместо выражения планковская температура, обычно говорят планковкая энергия.

Для получения планковской энергии необязательно, что-либо нагревать, достаточно столкнуть две частицы. Но чтобы энергия их столкновения равнялась планковской, то ускоритель должен быть размером с нашу галактику. Как показывают расчеты, в результате такого столкновения на мгновение возникнет планковская энергия, а затем возникнет черная дыра или, как предполагают многие ученые, родится новая вселенная. Мы не уверены так это будет или нет, но нельзя отрицать сходство свойств черных дыр с тем, что происходило в начале большого взрыва. Вначале большого взрыва плотность вселенной была практически бесконечной, а ее размер почти нулевым. В черной дыре плотность попавшей в нее материи так же стремиться к бесконечности, а объем к нулю, но самое главное, что в обоих случаях фигурирует планковкая энергия и полное искажение пространтва-времени. Если данная гиптоеза верна, то эта новая вселенная сразу отпочкуется от нашей и будет расширяться в собственное пространство-время. Вообще уже давно выдвигалось предположение, что когда рождается черная дыра, одновременно с этим должно происходить рождение вселенной. Все это походит на размножение вселенных. Причем тут даже есть элемент естественного отбора, чем больше во вселенной возникнет черных дыр, тем больше она оставит потомства. Однако знаменитый физик Стивен Хокинг открыл явление, которое может стать доказательством этой гипотезы. Исходя из своих растечтов, он обнаружил, что черные дыры со временем испаряются, а вся информация, которая попадает в них в виде материи, куда-то исчезает. Но в физике не может что-либо исчезать бесследно особенно информация. Если процесс образования черной дыры всегда сопровождается рождением новой вселенной, то есть одна догадка, куда девается вся информация.

Наша вселенная при рождении тоже обладала определенной информацией, которую иначе называют начальными условиями Большого взрыва. Здесь мы вплотную подходим к вопросу, почему вселенная образовалась такая, какая есть, и в которой можем жить мы с вами. Охлаждение вселенной с планковской температуры начиналось с момента большого взрыва, и продолжается по сей день. С самого начала этот процесс не был равномерным, поэтому мы сегодня можем наблюдать разные температуры по всей вселенной. Как раз вот в этой начальной неравномерности и была заложена стартовая информация нашей вселенной. В первые моменты, когда температуры были крайне высоки неравномерность привела к асимметрии законов природы. Чем были вызваны данные асимметрии, мы до конца еще не знаем, возможно, эта неравномерность еще при планковской температуре определила свойства вакуума таким образом, что все частицы приобрели соответствующие характеристики, из-за которых возникли четыре фундаментальные силы  с разными интенсивностями. Вполне возможно, что если начальная неравномерность была бы другой, то и физические законы в нашей вселенной тоже были бы другими.

Свойства нашего вакуума и гравитация в дальнейшем только усилили неравномерность охлаждения, это привело к тому, что в ходе расширения вселенной материя распределилась неоднородно. Поэтому, несмотря на то, что вселенная в целом продолжает остывать, местами мы видим раскаленные звезды. Но в большинстве своем  космос пустой и холодный. Например, в межгалактических пустотах температура очень близка к абсолютному нулю и на протяжении нескольких световых лет может не встретиться, ни единого атома. В процессе глобального похолодания локальное увеличение температуры в одном месте, всегда вызывает ее многократное понижение в другом. Поэтому каждая загоревшаяся звезда в космосе, приводит к тому, что сам космос становиться все более пустым и холодным. Это можно сравнить с завихрением, когда одна часть потока начинает двигаться против течения, за счет того что в другом месте течение усиливается. Завихрения связаны с таким явлением как турбулентность. Турбулентность приводит к сложным непредсказуемым последствиям, создавая хаотичные волны. Хаотичность, возникающая в потоке, приводит к усложнению элементов системы. Таким образом, температурное завихрение, которое привело к образованию солнечной системы, ответственно и за усложнение процессов происходящих на земле, а следовательно, за возникновение жизни и разума. Все эти процессы – своего рода сильный тепловой турбулентный поток, частью которого мы являемся.

Сама по себе турбулентность очень сложное явление. Многие слышали выражение, что взмах крыла бабочки на одном материке, может вызвать ураган на другом. Это действительно так, потому что в основе турбулентности лежит хаос. Незначительное колебание в атмосферных потоках может сформировать мощный воздушный фронт, который вырастет как снежный ком. Не стоит ругать синоптиков, что вы понадеялись на них и не взяли с собой зонт, потому что на самом деле точное предсказание погоды на завтрашний день гораздо сложнее, чем расчет движения галактик в скоплении на следующий миллиард лет. Поэтому не нужно удивляться тому, что турбулентный тепловой поток в глобальном охлаждении вселенной мог привести к тому, что мы наблюдаем вокруг себя.

В основе этого процесса лежит второй закон термодинамики, согласно которому тепмературные неравномерности всегда должны сглаживаться, поэтому турбулентность это всего лишь временное явление. Между прочим, обычный тепловой двигатель работает по этому же закону. Пока топливо создает разность температур (нагрев), двигатель работает, но как только разности температур не будет двигатель встанет. Об этом стоит призадуматься, ведь действительно любые завихрения рано или поздно затихают и среда становится однородной. Как предсказывают расчеты, со временем даже все глобальные неравномерности температур сгладятся и вселенную ждет тепловая смерть. Это произойдет, когда звезды погаснут, протоны в каждом атоме распадутся, и даже черные дыры испарятся. Тогда во вселенной останется только слабое излучение с однородной температурой. Все процессы остановятся, и только не прекращающееся расширение вселенной продолжит охлаждать оставшееся излучение, приближая его температуру к абсолютному нулю. Но как показывают исследования в области квантовой механики абсолютный ноль никогда не настанет, потому что в пространстве всегда присутствуют небольшие температурные колебания самого вакуума. Когда температура излучения остынет настолько, что излучение будет неразличимо с вакуумными колебаниями, вот тогда можно сказать что во вселенной осталась только пустота.

Жаль, что всему суждено погибнуть. Но интересно узнать остановился ли на создании разума потенциал, породившего нас теплового завихрения. Взгляните на наше температурное место во вселенной между 1032 ̊С планковской температуры и -273 ̊С абсолютного нуля, температура нашего тела 36 ̊С неимоверно близка к последнему. Какой путь пришлось совершить тепловому потоку, чтобы стать нами. Кто знает, может разум это не последняя стадия, а всего лишь та самая бабочка, которая даст толчок к дальнейшему развитию турбулентности и преобразит вселенную до момента ее гибели. Возможно, мы существуем во времена, когда вселенная еще не дожила до своего кульминационного момента. Но в наших силах хотя бы осознать это, и понять, откуда начался сюжет.

Так или иначе за все турбулентные завихрения ответственна начальная неоднородность. Охлаждение вселенной и турбулентный хаос сыграли свое дело, поэтому мы наблюдаем такое многообразие и сложность нашего окружения. Кого-то даже может взбудоражить мысль о том, что мы рождены хаосом. Однако само явление хаоса могут создавать весьма простые вещи. Один из примеров это математические фракталы. Фрактал это очень сложный узор, включающий в себя хаотические и несимметричные элементы, но, несмотря на свою сложность, в его основе лежит простое уравнение. Мечта всех физиков обнаружить единое уравнение, к которому сводятся все законы физики, чтобы таким образом вывести физику из чистой математики. Все указывает на то, что у нашей вселенной есть такое уравнение, именно оно создало тот фрактал, частью которого мы являемся. Это уравнение ответственно за те самые начальные условия большого взрыва и стартовую неоднородность.

Вопрос, почему нам досталось именно это уравнение, ведь математика так богата на всякого рода абстрактные структуры. Ответ в том, что наша вселенная может быть не одинока, а другие вселенные могут быть построены на других уравнениях и иметь свои физические законы, вот только непонятно, что определяет какой вселенной как развиваться. Чтобы предположить объяснение этому, нам надо вернуться к идее рождения новых вселенных при планковской температуре. Хочется добавить, что планковская температура может создаваться не только при экстремальном нагреве или в устроителях размером с галактику. Планковская энергия может родиться случайно. Всегда есть вероятность, что где-то во вселенной случится совокупное столкновение частиц, такой силы, что приведет к образованию планковской энергии. При этом все произойдет, как в сверхгигантском ускорителе, на миг родиться черная дыра. Так как в образовании черной дыры участвовало всего несколько частиц, то она будет микроскопических размеров и сразу испариться. Такие события могут происходить даже в окрестностях земли, мы их не замечаем, но вполне возможно, что прямо в этот момент рождаются новые вселенные. Про новые вселенные, рожденные планковкой энергией нельзя однозначно сказать, что они существуют где-то и когда-то. Сразу после их рождения причинная связь с нашей вселенной  теряется, а значит, как заявляет теория относительности, не имеется никакого способа повлиять на них. Следовательно, нет никакой надежды попасть в другие вселенные. Но не стоит по этому поводу особо расстраиваться. В других вселенных должны быть другие законы физики, и если мы все же смогли бы попасть туда, то сразу же разлетелись бы на элементарные частицы, поскольку они изменят свои свойства и все связи между ними мгновенно исчезнут. Возможно, впоследствии между частицами возникли бы другие связи, но та структура, которая называлась человеком, будет безвозвратно разрушена.

Вот теперь я хочу изложить гипотезу, которая объясняет, куда девается информация после испарения черных дыр, и откуда берется информация о конфигурации новых вселенных. Итак, при планковской энергии пространство-время закипает, и появляются пузыри. Для нас они выглядят как рождающаяся черная дыра и новая вселенная. Основная идея этой гипотезы в том, что начальные условия большого взрыва новой вселенной зависят от той информации, которую поглотит черная дыра за все время своей жизни. Однако длительность жизни черной дыры может быть различной. Если она микроскопическая и образовалась при столкновении частиц, то исчезнет в мгновение ока, но большие черные дыры могут жить очень долго. Например, сверхмассивные черные дыры, что находятся в центре галактик, будут существовать 10100 лет, дольше любых объектов нашего мира, и в 1090 раз дольше, чем прошло с момента зарождения вселенной. К тому времени, когда они испарятся, уже вся материя во вселенной будет близка к состоянию тепловой смерти. Следовательно, процесс поглощения информации черной дырой до момента полного испарения может растянуться на долгий срок, что не сопоставимо с ничтожной долей секунды, за которую формируются начальные условия большого взрыва новой вселенной. Но, хочется отметить, что новая вселенная будет иметь свой собственный темп течения времени, а может быть у нее вообще будет больше одного временного измерения, поэтому сопоставлять одновременность этих событий нет смысла. Кроме того оба процесса берут начало с планковской энергии кипящего пространства-времени, для которого такие понятия, как длительность и одновременность вообще не применимы.

Каким образом информация, поглощенная черной дырой превращается в математические уравнения физических законов новой вселенной. Чтобы это понять, нужно знать, что представляет собой информация, которую всасывает в себя черная дыра. Эта информация заключена в материи. В частности это данные об энергии и импульсе частиц, а так же все их характеристики: масса, заряды и вращательные моменты. Черная дыра может вести себя как компьютер, причем производительность этого компьютера выше, чем у любого другого объекта, из которого можно сделать вычислительное устройство. Такие выводы ученые сделали совсем недавно, когда обнаружили что информация, содержащаяся внутри черной дыры должна отображаться на ее поверхности. Из этого следует, что трехмерное изображение эквивалентно двухмерному, поэтому данный эффект назвали голографическим принципом. Исходя из этого принципа, можно сказать, что информация, заключенная в объекте упавшем в черную дыру не пропадает внутри, а копируется на поверхность черной дыры. Эта поверхность и ведет себя как компьютер. Когда же черная дыра испаряется, то соответственно площадь поверхности уменьшается, а информация, записанная на ней, преобразовывается по законам компьютерного вычисления. Что если результатом этого вычисления после окончательного испарения черной дыры является то самое уравнение, которое будет описывать физическую сущность новой вселенной, родившейся вместе с данной черной дырой. Если это так, то все встает на свои места, и мы получили объяснение.

Все-таки даже поняв, как могут возникать вселенные, многим не дает покоя вопрос, почему наша вселенная оказалась так точно настроенной. Массы и заряды частиц, интенсивность сил, если хоть что-нибудь из этого изменить, жизнь исчезнет. Вселенные должны рождаться с кардинально отличающимися законами физики, даже число пространственных измерений может быть отлично от трех. В некоторых вселенных гравитация окажется столь сильной, что почти сразу же после большого взрыва сожмет их обратно в комок планковской энергии. Другие, напротив, расширятся с такой скоростью, что их стремительное охлаждение не позволит образоваться тепловым завихрениям и сложным структурам. Даже в большинстве тех вселенных, где расширение все-таки стабилизируется, материя навсегда останется на уровне элементарных частиц, ни о каких атомах и уж тем более звездах или планетах там не может быть и речи. Некоторые ученые полагают, что вероятность того, что в другой вселенной так же удачно сложатся обстоятельства, как в нашей, составляет 1 к 10500. Даже математики такую вероятность, сочли бы за нулевую. Конечно, вполне возможно, что на основе других законов физики возникнут другие сложные структуры, которые нам не представить даже в самых странных фантазиях. Однако все равно процент вселенных со сложными структурами стремится к нулю. Но если процесс размножения вселенных бесконечен, то, в принципе, в нашем существовании нет ничего удивительного, ведь если бы нам не повезло и развитие нашей вселенной пошло бы по другому сценарию, то некому было бы задавать вопрос «почему нам так повезло». Не только ученые, а наверно и все люди жаждут узнать, является ли наша вселенная просто невероятно удачливым обладателем разумной жизни, или за этим кто-то стоит. Но это необязательно должен быть бог.

Возможно в будущем, когда наши технологии разовьются и станут настолько мощными, что мы самостоятельно достигнем планковских энергий и сможем сами создавать вселенные, может тогда нам удастся повлиять на условия в новорожденных вселенных. Конечно, для этих целей необязательно строить ускоритель галактических размеров, тем более что технологически это вообще невозможно, он будет разрушен собственной гравитацией. Может, мы найдем другие способы. Что же нам нужно для того, чтобы почувствовать себя богами. Прежде всего, выяснить каким образом черная дыра вычисляет информацию, и установить в чем заключается связь между черной дырой и новой вселенной. После этого нужно проконтролировать жизнь черной дыры от рождения до испарения, чтобы в итоге она высчитала такие условия новой вселенной, которые будут пригодны для зарождения в ней жизни и разума. Таким образом, мы как бы запрограммируем новую вселенную. Проще всего это сделать с микроскопической черной дырой, чтобы избежать лишних ненужных вычислений, да и проконтролировать космические черные дыры, вероятно, будет не под силу даже сверхразвитым цивилизациям будущего. Насколько далеки мы от таких возможностей, может быть это будущее для нас и не столь отдаленное. Однако основываясь на современной физике, пока еще нет никаких надежных идей о том, как создать даже микроскопическую черную дыру.

Не стоит забывать и то, что большинство из сказанного всего лишь предположение. Возможно, нет никакой связи между рождающимися при планковской энергии вселенными и черными дырами. В таком случае должен существовать другой принцип, по которому задаются начальные условия большого взрыва новых вселенных, и соответственно другой способ влияния на планковскую энергию для создания этих условий.  Но даже рождение новых вселенных при планковских энергиях является всего лишь гипотезой. Все-таки уж очень красива эта гипотеза, и если она окажется правдой, то придаст нашему существованию глубокий смысл. Сможем ли мы когда-нибудь с помощью технологий сами создать вселенную и определить характер ее развития. Являемся ли мы семенем нашей вселенной, которое оплодотворит пустую яйцеклетку новой зарождающейся вселенной, так чтобы в ней смогла развиться разумная жизнь. Кто знает, может в наших силах «нагреть лед» таким образом, чтобы образовалась вселенная, в которой родятся разумные существа, способные сделать тоже самое.

© Лихачев С.С. 2010 г.