1.5. Дорога по указателю «быстро»

Начнем спуск с пятиминутного интервала. Нет ничего более приятного, когда выполняя утомительную работу, делаешь перерыв на пять минут. Потом еще и удивляешься, как быстро он закончился. Но за это время в природе могло случиться столько всего, что одна мысль об этом заставляет задуматься, и все пять минут можно провести в глубоких размышлениях, поражаясь необъятности бытия.

Вот один процесс, который успел произойти за пять минут и изменить облик всей вселенной. Он случился даже быстрее, всего за три минуты, и благодаря нему мы уверены в теории Большого взрыва. В течение трех минут с момента рождения вселенной пока она еще не остыла, в ней происходили термоядерные реакции. Сильная ядерная сила объединяла протоны и нейтроны вместе, таким образом, во вселенной рождались атомные ядра. Однако за три минуты успели образоваться только ядра гелия и самая малость ядер лития*. Бóльшая часть протонов так и не смогла найти себе пару за три минуты. Поскольку один протон как раз является ядром водорода, то этим объясняется преобладание водорода над остальными элементами во вселенной (более 90%). На втором месте по распространению во вселенной идет гелий, и его пропорциональное соотношение с водородом почти с абсолютной точностью совпадает с предсказаниями теории Большого взрыва.

Когда вселенной исполнилась только секунда от роду, ее температура была еще слишком высока для термоядерных реакций и нейтроны с протонами метались в пространстве поодиночке. Тогда происходили процессы другого рода, но не менее важные для будущего вселенной. В эту эпоху вовсю шло космическое сражение между элементарными частицами. Битва началась из-за природных свойств фундаментальных составляющих материи. Дело в том, что когда  частица, сталкивается со своей античастицей, то они аннигилируют и от них остаются только фотоны света. Большой взрыв породил частиц на одну миллиардную больше чем античастиц. То есть на каждый рожденный миллиард античастиц, приходилось по миллиард и одной частице. Этот дисбаланс возник из-за еще более ранних процессов и, несмотря на его кажущуюся незначительность, определил судьбу вселенной*. Сразу после рождения все частицы вступили в тотальный процесс аннигиляции. Аннигиляция протонов с антипротонами и нейтронов с антинейтронами завершилась через секунду. Аннигиляция электронов с антиэлектронами продлилась на 9 секунд дольше. Таким образом, за 10 секунд после начала большого взрыва все антивещество во вселенной было уничтожено. В результате выжила лишь крошечная часть вещества, та самая одна миллиардная доля, которая не нашла себе пару для самоубийства. Если бы дисбаланса не было и антивещества с веществом родилось бы поровну, то все частицы аннигилировали бы, и во вселенной осталось бы только излучение. Мы можем довольствоваться лишь одной миллиардной частью того что создал большой взрыв, но иначе вообще вся материя исчезла бы и тогда история вселенной закончилась бы на отметке в 10 секунд.

Теперь перейдем от привычных временных интервалов, к тем, длительность которых меньше человеческого мгновения. Для их измерения используют миллисекунды, одну тысячную часть секунды. Чтобы вы успели сделать за 134 миллисекунды (0.134 с) или почти за одну восьмую долю секунды? Максимум, прочитать слово «секунды» на конце предыдущего предложения. А свет за это время успел бы облететь Землю вокруг экватора, длина которого 40000 километров. Благодаря такой невероятной скорости света, мы можем свободно общаться с людьми на других континентах. Правда задержка все же существует, хоть мы ее и не замечаем. Так, например, считается, что качественно установленное интернет-соединение не должно иметь задержу более 70 миллисекунд.

Наш глаз способен зарегистрировать явления, которые случились не быстрее чем за 50 миллисекунд (5 × 10^-2 с). Поэтому мы видим молнию как кривую линию, появляющуюся в небе, хотя на самом деле молния являет собой искру, которая пролетает по этой линии. Из-за подобной ограниченности никто не может похвастаться, что видел одиночный взмах крыла мухи, который она производит всего за 3 миллисекунды (3 × 10^-3 с). Однако наш слух гораздо более чувствительный, и мы слышим не только жужжание мухи, но можем различить и более тонкий звук. Длительность звуковых колебаний самой высокой частоты, которые может уловить наше ухо в тысячу раз меньше и составляет 50 микросекунд (5 × 10^-5 с).

Микросекунда настолько меньше миллисекунды, насколько миллисекунда меньше секунды. Если мы применим сравнение, взяв за минуту продолжительность человеческой жизни, тогда минимальный интервал времени различимый глазом будет соизмерим с рабочим месяцем, а самое тонкое звуковое колебание с длительностью телевизионной серии. Микросекунды в миллион раз меньше секунд, слишком коротки, чтобы влиять на нашу жизнь, но некоторая техника весьма чувствительна к ним. Если бы спутники GPS не корректировали бы каждый день время, сдвигая его ход на 38 микросекунд (3.8 × 10^-5 с) вперед, то работа глобальной навигационной системы была бы нарушена. Гравитация земли искривляет пространство-время и замедляет время на его поверхности по сравнению с тем, что течет на орбите. Разница в ходе часов для спутников системы GPS составляет те самые 38 микросекунд в день.

В жизни вселенной первая микросекунда также стала важным рубежом. Спустя всего одну микросекунду (10^-6 с) после большого взрыва образовались протоны и нейтроны, до этого вселенная пребывала в состояния горячего кваркового супа. Среда была столь горячей, что кварки еще не имели возможность сформировать адроны. Напоминаю, что адронами называют все частицы, сделанные из кварков. Самая стабильная адронная конфигурация это протон. Нейтрон менее стабилен, если не уравновешен протоном внутри атомного ядра. С другой стороны именно нейтроны внутри ядра противодействуют отталкивающей силе положительных зарядов протонов, тем самым сохраняя атомное ядро стабильным. Сейчас остается загадкой, почему характеристики кварков так точно совпали, что в природе смогли возникнуть тандемы из протонов и нейтронов в виде атомных ядер. Не будь этого совпадения, и протон не смог бы уравновесить нестабильность нейтрона. А одни протоны без нейтронов не смогли бы сформировать стабильные ядра. Тогда во вселенной не образовалось бы никаких других элементов кроме водорода. Водороду не нужны нейтроны, его ядро составлено из одного только протона. Остальные элементы были бы нестабильны, поэтому термоядерный синтез стал бы невозможен, а значит, даже звезды не сумели бы зажечься, и вселенная представляла бы собой темное вместилище водородного газа и черных дыр.

  Нам повезло, этого не случилось, а посему мы свободно можем рассуждать о временных интервалах. Следующий отрезок времени это наносекунда, и ее краткость поражает в сравнении с привычным. Все что кажется, нам невероятно быстрым фактически замирает, если сопоставить его с наносекундными процессами, потому что в одной секунде миллиард наносекунд. Хочется отметить, что наносекунда почти настолько же меньше секунды, насколько секунда меньше человеческой жизни, ибо продолжительность последней составляет чуть больше двух миллиардов секунд. Пока эти цифры еще тяжело осознать и нам нужно что-то конкретное для сравнения. Свет, не смотря на свою запредельную скорость за 400 наносекунд (4 × 10^-7 с) успевает пролететь лишь расстояние равное длине шестиподъездной девятиэтажки, ранее используемого нами инструмента в сравнении пространственных расстояний. За 10 наносекунд (10^-8 с) атомы на поверхности твердого тела успевают выскочить из кристаллической решетки и свободно поблуждать по ней. Можно сказать, что на 10 наносекунд какая-то часть поверхности твердых тел превращается в жидкость. Теперь, мы имеем, от чего можно оттолкнуться в сравнении. Так вот если мы примем время свободного блуждания атомов по поверхности твердого тела за одно человеческое мгновение, то при таком сравнении интервал в 25 секунд будет соизмерим с жизнью человека. Если бы мы замедлили съемку выстрела, так чтобы каждые 10 наносекунд прокручивались за секунду, то скорость движения пули станет равной одному метру в сутки!

После приставки «нано» идет приставка «пико», но, как и с метрами, я не буду ее использовать в пользу логарифмической записи секунд. За одну десятую наносекунды или за 10^-10 секунды происходит перестройка электронных орбиталей в атомах, то есть за это время рвутся химические связи между атомами, или устанавливаются новые. Данный промежуток в 100 раз короче времени блуждания атомов по поверхности кристаллической решетки. Однако атомы, находясь внутри твердых тел, могут совершать и более быстрые действия. В пять раз быстрее (2 × 10^-11 с), чем перестройка химических связей протекают коллективные колебания атомов внутри кристаллической решетки твердого тела. Этим явлением обусловлена передача звука. Кристаллическая решетка обеспечивает наиболее быструю передачу колебательного момента, поэтому внутри твердых тел звук перемещается в два, а то и в пять раз быстрее, чем по воздуху. Свет в свою очередь еще быстрее, чем даже звук, распространяющийся в твердых телах. За то время пока одна группа атомов передает колебательный момент другой, свет уже пролетит расстояние равное длине блохи, еще одного заезженного нами сравнительного инструмента. Свету понадобиться на это всего 4 × 10^-12 секунды. По предыдущим главам мы помним, насколько блоха больше чем атом, настолько же и свет быстрее звука.

Как многие поняли, рассуждая про короткие интервалы, мы будем часто обращаться к хронологии большого взрыва. Его история весьма богата ими, и кроме того быстрые события большого взрыва уникальны тем, что сказывались на всей вселенной. Физические законы нашего мира сформировались всего за 10^-12 секунды с начала большого взрыва, это в миллион раз быстрее, чем время возникновения первых протонов. Через 10^-12 секунд после начала во вселенной возникли четыре фундаментальных силы, такие, какие они есть сегодня. До этого момента сил было только три. Слабые ядерные силы и электромагнитные были объединены в одну силу, ее называют электрослабой. Эти силы были объединены, потому что между фотонами и слабыми бозонами не было различий. Но самое интересное, что в ту эпоху частицы вообще не имели массы. Предполагается, что именно в этот момент произошла конденсация вакуумного поля, которая обеспечила частицы массой. Его называют хиггсовым полем. Мы пока не знаем, почему у разных частиц появились кардинально отличающиеся массы, но это должно быть как-то связано с их характером взаимодействия с данным полем. Природа каким-то образом определила, что станут возможны три поколения частиц с разными массами, однако пока среди масс частиц не видно никакой упорядоченности. Кроме того некоторые так и остались безмассовыми, как например фотон. Зато слабый бозон приобрел массу и стал отличаться от фотона, а раз переносчики электрослабого взаимодействия стали обладать разными свойствами, то само электрослабое взаимодействие разделилось на два: электромагнитное и слабое ядерное. В то же мгновение электроны и нейтрино приобрели разные свойства, до этого между ними так же не было различий. Множество тонкостей этого процесса остаются пока туманными в современной физике, но в целом картина понятна.

Получается, что законы физики вселенная выковала невероятно быстро. Люди только сейчас подобрались к практическому использованию такого интервала, за которое случилось творение мира. На 2010 год транзисторы в микропроцессорах достигли скорости работы одного такта за 10^-12 секунд. Процессоры скоро достигнут своего технологического рубежа миниатюризации, и для создания более быстрых компьютеров нам потребуются новые технологии. Транзисторы процессоров по размерам уже вплотную поободрались к квантовому миру. Если сделать их еще меньше, то квантовые эффекты атомов, из которых они сделаны, не дадут им правильно функционировать. Скорость работы тоже близка к максимально возможной. Колебания отдельных атомов внутри кристаллической решетки, обуславливающих температуру внутри твердого тела всего в пять раз быстрее, чем скорость работы самого быстрого транзистора и составляют 2 × 10^-13 секунд. За это же время можно рассмотреть динамику отдельных атомов внутри молекул. Фактически это время, за которое происходят явления ответственные за температуру твердых тел, поэтому физически невозможно заставить транзисторы работать быстрее при этом, не расплавив их.

Меньшие интервалы времени заметны только в явлениях происходящих внутри атома, так как сами атомы, за такие промежутки времени выглядят застывшими. Динамика распространения электронов на внешних оболочках атомов происходит за 10^-14 секунд. Полагаю, мне не стоит объяснять, почему я не выразился следующим образом: «за это время электроны делают один оборот вокруг ядра». Потому что мы помним, что электроны это элементарные частицы и подчиняются квантовой механике, поэтому более корректным будет высказывание не о вращении электрона вокруг ядра, а о распространении электронов в пределах атомной оболочки. Динамика распространения электронов на внутренних оболочках еще быстрее, и протекает за 5 × 10^-16 секунд. Примерно столько же времени требуется электрону, чтобы внутри молекулы перепрыгнуть с одного атома на другой, а это явление основа химической связи. Если бы сей процесс происходил за длительность одной телевизионной серии, то скорость работы самого быстрого транзистора составила бы два рабочих месяца, а движение отдельных атомов по поверхности кристаллической решетки заняло бы 20 человеческих жизней. Гамма-лучи или жесткое рентгеновское излучение могут вызвать еще в 10 раз более быстрый процесс в оболочке атома. В то время когда радиация пагубно сказывается на нашем организме, происходит ионизация атомов в нашем теле, это всего за 5 × 10^-17 секунд высокоэнергетические фотоны выбивают электроны с их орбиталей.

Следующим шагом вниз по ступеням временных промежутков будут уже не атомные, а ядерные явления. Деления атомного ядра длится 10^-19 секунд. Обычная динамика протонов и нейтронов внутри ядра протекает еще в 100 раз быстрее за 10^-21 секунд. За это время они как бы движутся друг относительно друга. Тут внимательный читатель тоже определил бы некорректное высказывание, но наиболее понятно, чем выражением «как бы движутся» объяснить квантовое поведение невозможно. Время жизни других адронов гораздо меньше, чем длительность этой динамики, поэтому ни один из них не может заменить протоны и нейтроны внутри ядра. Наиболее тяжелые адроны и вовсе живут в 100 раз меньше всего 10^-23 секунд, в течение этого времени протоны и нейтроны в ядре выглядят застывшими. Если сопоставить данное время с жизнью человека, то прогулка атома по кристаллической решетке была бы сравнима по длительности со всей эволюцией жизни с момента ее зарождения. Совсем недавно физикам удалось разбить протоны и нейтроны на составляющие. Для этого на ускорителях сталкивали тяжелые ядра, получившийся в результате кварковый суп, просуществовал еще в два раза меньше самых тяжелых адронов, примерно 5 × 10^-24  секунд. Но этого времени было достаточно, чтобы понаблюдать за поведением кварков, обычно динамика кварков внутри протонов и нейтронов длится в 5 раз быстрее – 10^-24  секунд.

Самые тяжелые элементарные частицы это t-кварк* и слабый бозон, время их жизни всего около 5 × 10^-25 секунд. Учитывая, что столько живет слабый бозон, следовательно, и слабые ядерные взаимодействия происходят примерно за такой же интервал. То есть в течение этого времени распадается свободный нейтрон, и длятся превращения частиц в столкновениях на ускорителе. Получается, что 10^-25 секунд это предел экспериментальных наблюдений. Сопоставим его с одной серией на телевидении, и динамика внутри ядра станет сравнима с 10 рабочими месяцами, а деление атома с человеческой жизнью. Если мы откроем еще более тяжелые элементарные частицы, то время жизни у них будет еще меньше, но определить это станет возможно только косвенным методом по результатам их распада. Однако тут возникает та же энергетическая проблема, что и при зондировании сверхмалых расстояний, чем тяжелее частицы мы хотим получить в результате столкновений (если таковые в природе имеются), тем выше должна быть энергия этих столкновений. Пока же нам неизвестны экспериментально проверенные процессы, происходящие быстрее 10^-25 секунд. О них остается только догадываться и строить гипотезы. Предлагаю рассмотреть наиболее достоверные.

Перед этим хочется сказать, что есть одно экспериментальное средство, помимо ускорителей, которое способно нам поведать о кратчайших промежутках времени. Это средство не что иное, как большой взрыв. Изучая ультраранние события в нашей вселенной можно создавать надежные теории о сверхкоротких интервалах. Астрофизики уверены, что некоторые из ультраранних событий сыграли в жизни вселенной бóльшую роль, чем все последующие. Одно из таких событий названо космической инфляцией. Через 10^-32 секунды после начала большого взрыва расширение вселенной стабилизировалось, до этого момента она расширялась невероятно быстро, намного быстрее скорости света. Расширение было экспоненциальным, то есть каждое мгновение его скорость только увеличилась. Так же как растут цены во время дефолтов и экономических кризисов, отсюда, кстати, и название явления – космическая инфляция. За 10^-32 секунды вселенная увеличилась больше, чем за все последующие годы расширения, а это еще раз подтверждает, что наблюдаемая вселенная лишь крошечная часть всего мироздания. Так же сей процесс обеспечил вселенной плоскую геометрию и относительно равномерную температуру. Когда экспоненциальное расширение прекратилась, энергия космической инфляции высвободилась, и родились фермионы, те кварки и электроны из которых мы состоим. Доминирующую роль среди рожденных фермионов играли кварки, поэтому состояние, в котором после окончании инфляции находилась вселенная, называют кварковым супом*. Присутствие электронов на ранних этапах вообще не замечалось. Кварковый суп просуществовал вплоть до одной микросекунды, пока из него не образовались протоны и нейтроны.

Наиболее важна роль космической инфляции в том, что все вещество распределилось немного неоднородно. То есть уровень однородности ни большой, ни маленький, а в самый раз, и это важный ключевой момент. В больших масштабах инфляция обеспечила поразительную однородность. Под большими масштабами тут имеется в виду паутина из сверхскоплений галактик, что оплетает всю вселенную. Если бы этой однородности не было и местами были бы слишком плотные области, а местами слишком разряженные, то подавляющая часть вещества сжалась бы в черные дыры, которые разделяли бы гигантские пустоты. Эти черные дыры были бы даже больше тех, что сейчас находятся в центрах галактик, а их массы включали бы в себя массу целых скоплений. Естественно ни скоплений, ни галактик не возникло бы, потому что все вещество вобрали бы в себя эти черные дыры. При этом разделяющие черные дыры пустоты оказались бы намного больше войдов, что сегодня отделяют сверхскопления. Так бы выглядела вселенная без космической инфляции, если бы вещество распределись слишком неоднородно.

Однако если бы инфляция обеспечила вселенной слишком однородную среду, то все выглядело бы еще более печально. Если распределение атомов оказалось бы идеальным, не было бы уплотнений вещества и гравитации не за что было бы зацепиться. Такая гравитационно-равновесная структура продолжила бы свое существование в расширяющейся вселенной без всяких изменений. То есть не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, а только равномерно распределенные в пространстве атомы. За столь важный уровень неоднородности стоит благодарить квантовые эффекты. Когда вселенная была микроскопических размеров, в ней происходили квантовые явления, которые присущи микромиру. Они проявлялись как небольшие колебания плотности. И вот когда через 10^-32 секунды вселенная резко прекратила свое быстрое расширение эти колебания плотности застыли, оставив отпечаток на будущей структуре космоса. Если взглянуть на паутину из сверхскоплений и отмотать пленку назад до момента окончания инфляции, то мы увидим, как крупномасштабная структура нашей вселенной превращается в небольшие отклонения плотности раскаленной субъядерной плазмы, обеспеченные квантовой механикой.

Белым пятном в теории космической инфляции остается явление, которое ее вызвало. Предполагается, что это было вакуумное поле, и когда оно полностью конденсировалось, инфляция остановилась, а энергия вакуумного поля превратилась в фермионы. Так как частиц материи до момента окончания инфляции еще не было, то получается вся энергия вселенной, была заключена в вакуумных полях. Это была странная эпоха, когда ничего, привычного нам, еще не существовало, а расширение шло инфляционными темпами, но и тогда уже происходили процессы, длительность которых можно измерить.

За 10^-35 секунды с начала большого взрыва, что в 1000 раз быстрее процесса космической инфляции, произошло разделение фундаментальных сил. Мы помним, что после 10^-12 секунды тоже произошло разделение сил и в природе их стало четыре, это количество сил мы наблюдаем и сегодня. До момента в 10^-12 секунды в природе было три фундаментальные силы: электрослабая, сильная ядерная и гравитационная. А до 10^-35 секунды сил в природе было только две. В этот момент разделились электрослабая и сильная ядерная сила, которые ранее были едины. Эту единую силу называют электроядерная. В то недолгое время, что ей удалось просуществовать, она не различала ни фотоны, ни глюоны. Хотя фермионы в ту пору еще не родились, но если бы они были, то электроядерная не почувствовала бы отличий и между кварками и электронами. Для нее фермионы были бы едины. Такая простота электроядерной силы обеспечивалась тем, что в то время частицам был присущ только электрический заряд. Как уже ранее говорилось, необычное поведение кварков и глюонов, которые кварки излучают, создается из-за того, что эти частицы обладают цветовым зарядом, которого лишены электроны и фотоны. Этот заряд как раз и создает сильную ядерную силу. Так вот ранее 10^-35 секунды во Вселенной не существовало цветового заряда, поэтому никаких различий между кварками и электронами, а так же между фотонами и глюонами быть не могло. Следовательно, и сильной ядерной силы фактически не было.

Расчеты подтверждают, что при той невероятой температуре, которая была во вселенной через 10^-35 секунды после ее рождения, электослабая и сильная ядерная сила должны были иметь одинаковую интенсивность, но это не объясняет, чем вызвано появление цветового заряда. Возможно это так же связано с конденсацией еще одного вакуумного поля, произошедшей по тому же принципу, по которому хиггсово поле придало частицам массы. Однако, как и с хиггсовым полем, которое не дает объяснения, почему не все частицы обрели массу, а те, что получили, имеют отличающиеся массы, здесь тоже не понятно, почему данное вакуумное поле наградило цветовым зарядом только кварки и глюоны. Есть много теорий описывающих природу этого вакуумного поля и пока, что полной согласованности не достигнуто. Некоторые гипотезы предполагают, что раз механизм космической инфляции тоже требует вакуумное поле в качестве двигателя, то возможно оно же стало ответственным и за цветовой заряд, однако это всего лишь догадки, не имеющие под собой теоретической основы.

В общем, процесс разделения электроядерной силы на сильную ядерную и электрослабую силу содержит еще больше неясных моментов, чем последующее разделение электрослабой силы на электромагнитную и слабую ядерную силу. Но не остается сомнений в том, что это процесс имел место быть. Во время распада протона, кварки превращаются в другие частицы именно за 10^-35 секунды, и это не может быть совпадением. Сам характер распада протона указывает на то, что когда-то и кварки и электроны не имели различий. Конечно, факт распада протона еще не был установлен экспериментально, но большинство физиков не сомневаются, что этот процесс должен происходить в природе. Исследования показывают, если бы протон не распадался, то не было бы дисбаланса между веществом и антивеществом, и в процессе окончания космической инфляции, когда родились фермионы, античастиц и частиц возникло бы поровну. Мы с вами уже выяснили, к чему привело бы равное количество материи и антиматерии во вселенной. Причины, почему вещество стало доминировать над антивеществом, кроются в процессе разделения электроядерной силы.

Итак, через 10^-35 секунд после большого взрыва электроядерная сила распалась, и наряду с гравитацией в природе стало три фундаментальных силы. Вселенная уже научилась различать фермионы на кварки и электроны, хотя тех еще не было, во вселенной преобладали бозоны и вакуумные поля. Это разделение должно было породить удивительные объекты, которые не являются ни полями, ни частицами, их иногда называют вакуумными дефектами. Об их природе будет вкратце упомянуто в следующей главе, пока я опишу только особенности этих объектов.

Точечные вакуумные дефекты называют магнитными монополями. Они похожи на частицы с необычным свойством, а именно, имеющие только один магнитный полюс. Магнетизм возникает при движении электрических зарядов, поэтому число магнитных полюсов всегда должно быть равно двум, независимо от единичного электрического заряда частиц образующих магнитное поле. Магнитный монополь в свою очередь способен создать особое магнитное поле. Протон, попав внутрь этого поля, должен будет мгновенно распасться. Имея в наличии всего один магнитный монополь можно создать бомбу, которая будет намного эффективней ядерной, и гораздо экономичней, чем бомба из антивещества*. С другой стороны реакцию распада протонов при помощи монополя можно сделать контролируемой. Таким образом, мы получим практически вечный источник энергии, потому что протоны есть внутри каждого атома. Однако современные теории говорят, что магнитных монополей в наблюдаемой нами области вселенной должно быть очень мало. Вероятность того, что один из них окажется поблизости с нашей планетой вообще стремится к нулю.

Протяженные вакуумные дефекты называют  космическими струнами, и их не нужно путать с объектами из теории струн, те как предполагается должны являться истинной природой частиц. Космические струны же имеют совсем иную природу, кроме того их протяженность отнюдь не микроскопическая. Они завернуты в окружность и могут тянуться сотни световых лет. Хотя есть предположение, что космические струны могут быть длиннее и вообще пересекать всю вселенную, если та замкнута. С материей они практически не взаимодействуют, потому что по природе своей невероятно плотны и малы, кроме того движутся в пространстве с гигантскими скоростями. Атомы для них как для нитки галактика, и если эта нитка пересечет галактику, то естественно никак на нее не повлияет. Но если материя задержится возле космической струны, последствия могут быть иными, особенно учитывая невероятную плотность этих объектов. Космические струны могут вытягиваться спутываться между собой и даже рваться, поэтому теория не может определить их концентрацию во вселенной. Скорей всего, так же как и с монополями, невелика вероятность присутствия большого количества космических струн в пределах наблюдаемой вселенной. Сегодня в космосе ведется активный поиск вакуумных дефектов, поскольку их наличие еще раз подтвердит, что современная наука правильно описывает природу.

Получается, что до 10^-35 секунды во вселенной существовало только две силы электроядерная и гравитация. Плотность и температура вселенной были настолько велики, что для их записи тоже потребовался бы логарифмический метод. Тем не менее, наличие двух разных фундаментальных сил намекает на то, что и они ранее были едины. То есть намного раньше должна была существовать единая сила или как ее называют суперсила, которая впоследствии распалась на электроядерную и гравитацию. Процесс отделения гравитации в современной физике, наверное, самый непонятный момент. Однако именно это явление было самым первым шагом в большом взрыве, и оно должно было определить все последующее развитие вселенной. Однозначно можно сказать только то, что разделение произошло через 10^-43 секунды после начальной точки отчета большого взрыва.

Подобно тому, как разделение электорядерной силы на электрослабую и сильную ядерную породило вакуумные дефекты, то и произошедшее до этого разделение суперсилы на гравитацию и электроядерную силу, тоже должно было привести к дефектам, но иного рода. Их называют пространственно-временными дефектами, и они представляют собой предельные искривления пространства. Один из таких дефектов, которые тогда могли родиться, это черные дыры, названные первичными. Когда я перечислял три типа черных дыр (сверхмассивные, звездные, микроскопические), я пропустил данную категорию, поскольку она пока считается гипотетической. Размеры у первичных черных дыр должны быть намного больше, чем у микроскопических, но и гораздо меньше, чем у звездных. Чем меньше черная дыра, тем сильнее должна быть интенсивность ее испарения. Например, черные дыры, возникшие после взрывов звезд слишком велики, чтобы их испарение можно было зарегистрировать, микроскопические черные дыры сами по себе трудно зарегистрировать, поскольку они невероятно малы и мгновенно испаряются сразу после возникновения. Однако первичные черные дыры из-за их промежуточного размера должны активно испаряться, по следам испарения и планируется обнаружить их в космосе. Другой пространственно-временной дефект, который мог возникнуть в ту эпоху, называют белой дырой. Обнаружить первичные белые дыры еще проще, чем первичные черные дыры, потому что белая дыра – противоположность черной (см. рис.11). В то время как черная дыра поглощает материю, белая дыра ее исторгает. Возможно что это единственный объект, который имеет отрицательную гравитационную кривизну, то есть гравитация все от него отталкивает. Белые дыры, родившиеся в ту эпоху можно описать как отколовшиеся куски большого взрыва, которые еще некоторое время продолжали рождать материю, однако из-за их сильной нестабильности, вероятно ни одна из них долго не просуществовала, и скорей всего сегодня во вселенной белых дыр не содержится вовсе. В отличие от черных дыр белые дыры могли быть только первичными, так как в природе неизвестен ни один другой процесс, кроме большого взрыва, который мог бы их создать. Третьей разновидностью пространственно-временных дефектов могли стать червоточины, их мы разберем подробнее в следующей части книги. Все пространственно-временные дефекты мало того, что могли просто не дожить до наших дней, так еще, как и у вакуумных дефектов, их концентрация во вселенной должна быть крайне низкой, поэтому вероятность обнаружить их так же очень мала.

Возвращаясь к моменту отделения гравитации, следует отметить, что не существует никаких надежный теорий о том, что собой представляла вселенная до этого момента. Ряд умозаключений приводит к следующим выводам об этой эпохе. Поскольку существовала единая сила, то и между любыми частицами не должно было быть никакой разницы (см. таб.6). Скалярные частицы – составляющие вакуумных полей, бозоны – частицы сил, фермионы – частицы материи, все они ничем друг от друга не отличались. И если за последующие разделения сил  ответственны вакуумные поля, то тут совершенно не ясно, что заставило гравитацию отделиться. Возможно даже такое, что вообще никаких частиц не существовало, а энергия вселенной была заключена в абсолютно иной форме. Как это понимать? Дело в том, что природа гравитации тесно связано с природой пространства и времени. Раз гравитация была едина со всей остальной природой, то скорей всего пространство тоже каким-то образом было едино со временем. Или лучше сказать так: вероятно, до 10^-43 секунды время и пространство имели совершенно иную природу. Тогда получается к этой эпохе не вполне верно употреблять приставку «до», да и вообще пользоваться глаголами, потому что все они подразумевают временные процессы из пост-10^-43-секундного пространства-времени. Как предполагают современные теории, частицы могут являться либо струнами, либо петлями завернутого пространства-времени. Вот и получается, что фактически частицы появились тогда, когда получили такую природу внутреннего устройства. А произошло это, когда пространство и время обрели свои нынешние свойства, то есть через 10^-43 секунд после большого взрыва. Таким образом, единственные выводы, к которым приходят ученые, что после начала большого взрыва и до 10^-43 секунды пространство, время, энергия, материя должны были быть едиными, либо так только кажется и есть другое объяснение этой экстраполяции.

Чтобы привести возможные логические выходы из тупиковой ситуации, в которую нас ставит изучение начала большого взрыва, необходимо подробней понять, что это за интервал в 10^-43 секунды. Его называют планковским временем. За этот промежуток свет проходит расстояние равное планковской длине. Если в природе нет ничего быстрее света, и не может быть ничего меньше планковской длины, то получается, что меньших интервалов времени в природе не существует. Но перед тем как голословно объявлять о таком заключении сверимся с тем, что предполагают на этот счет теории пытающиеся описать физику планковских масштабов.

В теориях струн за одно планковское время струна совершает одно колебание. Если все состоит из струн, то менее длительных процессов в физике просто не может быть. Компактификация – один из вариантов, который объясняет то, что мы не замечаем дополнительные измерения необходимые для математического аппарата теории струн – полагает, что в первое планковское время с начала большого взрыва, все струны и пространственные измерения должны были быть сжаты в единый планковский комок. По истечении планковского времени измерения начали разворачиваться. Развертывание пространственных измерений это и есть расширение пространства. Струны стали свободно в них распространяться и колебаться, формируя тем самым частицы. Вопрос остается в том, что вызвало это развертывание и почему только трех измерений, а остальные остались свернутыми. Локализация – другой вариант объяснения дополнительных измерений, описывает первое планковское время иначе, но он солидарен с тем, что глубже заглянуть в начало большого взрыва невозможно. Как и было обещано, локализация будет пояснена в дальнейшем.

Теория петлевой гравитации полагает, что наряду с атомами пространства (равными планковской длине), существуют и атомы времени (равные планковскому времени). Атомы времени, это неделимый природный миг, как тиканье вселенских часов, за который атомы пространства могут совершить какое-либо действие. А они умеют совершать только одно действие, это рождать себе подобных. Поэтому пространство расширяется. В этом процессе могут образовываться устойчивые конфигурации из атомов пространства, подобно завихрениям. Эти устойчивые конфигурации и проявляют себя как стабильные пространственно-временные петли в масштабах планковских длин, а с точки зрения наших масштабов, мы воспринимаем их как частицы. Начало большого взрыва видится следующим образом: первая планковская единица времени стала первым временным атомом, появившимся в нашей вселенной. Отныне и за каждую последующую планковскую единицу времени пространственные атомы начали рожать себе подобных. Таким образом, пространство начало расширятся. Динамика пространственных атомов соответственно и привела к появлению гравитации. Поскольку частицы это устойчивые состояния в динамике пространственных атомов, то естественно до начала этой динамики еще не могло быть никаких частиц. Возможно изначально между атомами пространства и атомами времени не было различий, но тогда опять возникает вопрос схожий с тем, что остается неразрешенным и в теории струн, почему появился первый временной атом, задавший ритм вселенским часам и запустивший динамику пространственных атомов.

Становиться понятно, что раз планковское время мельчайший промежуток времени, то бессмысленно спрашивать, что было между началом большого взрыва и 10^-43 секунды, когда отделилась гравитация. Первое планковское время заключало в себе все единство природы, оно и было началом времени. Единство нарушилось, гравитация отделилась, и во второе планковское время природа обладала уже двумя фундаментальными силами. Так был запущен процесс вселенского творения, следовательно, первое планковское время и было началом большого взрыва.

Однако вопрос о том, что было до большого взрыва, нельзя считать таким же лишенным смысла. Первый ответ на него, чаще всего приводимый в научной литературе, говорит нам, что не было никакого «до». Значит, время вообще не существовало до большого взрыва, и первый планковский интервал времени возник спонтанно. В этом случае нет никакой возможности объяснить, почему произошел большой взрыв. Логика в данном случае бессильна, поскольку ей для сущестования «после» нужно существование «до». Другой вариант трактовки отсутствия «до» перед большим взрывом, может значить, что время имело иную природу, и понятие длительности к нему было не применимо. Объяснить природу большого взрыва в таком аспекте для человеческого разума, сформировавшегося в среде временной длительности, невероятно сложно. Попытайтесь вообразить себе форму времени, отличающуюся от той, что регистрируют ваши часы, и тогда поймете всю сложность.

Второй предполагаемый ответ на вопрос, что было до большого взрыва, основывается на том, что существуют параллельные вселенные. Сегодня такую точку зрения поддерживает множество физиков. Исходя из нее следует, что большой взрыв случился не только в нашей вселенной, а в нескольких или даже в бесконечном количестве, более того большие взрывы были и раньше, и продолжают происходить по сей день. Проблемой для восприятия подобного объяснения является то, что время в параллельных вселенных должно быть автономным от нашего. Неправильно будет высказываться подобным образом: «большой взрыв в нашей вселенной произошел раньше того, что случился в соседней». Некорректно определять относительность времени  в параллельных вселенных, потому что в них может быть не только разный темп течения времени. В некоторых параллельных вселенных время вообще может идти вспять. Но самое непостижимое в том, что другие параллельные вселенные могут иметь более одного временного измерения. Возможно, не все из перечисленного верно, поскольку сегодня имеется множество гипотез о природе параллельных вселенных и каждая по своему объясняет соотношение времени между ними. В этой концепции у нашей вселенной тоже не было никакого «до», но поскольку вне нашего времени и пространства вечно рождаются, живут и умирают другие вселенные, тогда отсутствие «до» уже не является логическим противоречием.

Мы с вами в любом случае не можем продвигаться в масштабах времени глубже 10^-43 секунды и не имеем возможности заглянуть в другие вселенные, чтобы узнать какова там природа времени. Я надеюсь, что хотя бы некоторые из причин, почему физика считает данный промежуток времени мельчайшим, стали читателю понятными. Приглашаю теперь оглядеться с позиции длительности планковского времени на длительность наших повседневных событий. Так же как и с планковской длиной тут потребуется более одного сравнения, а наших стандартных инструментов будет явно недостаточно. Если мы сравним планковское время с секундой, то тогда мельчайший временной интервал, который могут зарегистрировать ускорители частиц станет соизмеримым со всем временем, которое успела просуществовать вселенная. В свою очередь, если мы возьмем этот промежуток времени едва уловимый детекторами ускорителей и его сопоставим с секундой, тогда длительностью прыжков атомов на поверхности кристаллической решетки будет сопоставима со временем жизни вселенной. И вот только когда мы примем продолжительность этой необычной динамики атомов за одну секунду, только тогда средняя продолжительность жизни человека будет сопоставима с текущим возрастом вселенной. Краткость планковского времени кажется совершенно непостижимой. Когда мы наивно говорим, что по сравнению с нами, вселенная существует целую вечность, тут особо не чему удивляться, потому что наша жизнь по сравнению с длительностью планковского времени, тогда получается, равна не просто вечности, а вечности в кубе.

следующая глава...