Жидкая Вселенная

Развитие технологий, в том числе связанных с граничными состояниями материи и высокими энергиями, позволяет сымитировать предположительное состояние вещества в начале времён… И в конце таковых.

Итак, в прошлой статье мы начали говорить о том, что Большой взрыв, по-видимому, был вполне рядовым явлением в процессе эволюции Вселенной. Иначе говоря, такие "взрывы" во Вселенной как бескрайнем пространстве, по-видимому, происходят постоянно. Просто, по мнению астрофизиков Кэрролла и Чэнь, они настолько далеко отстоят друг от друга в пространстве и времени, что представляются человеческому разуму уникальными явлениями.

Впрочем, мы имеем дело с теориями: нет никого, кто мог бы со стопроцентной вероятностью подтвердить или опровергнуть выкладки Чэнь и Кэрролла или идеи о конечности и изолированности Вселенной… Мы можем оперировать лишь теоретическими умозаключениями, уповая на то, что однажды человеческий разум достигнет того уровня развития, при котором познание загадок Вселенной перестанет быть неразрешимой задачей.

Как бы там ни было, сейчас до разрешения этих загадок человечеству, мягко говоря, далековато.

С другой стороны, развитие технологий, в том числе связанных с граничными состояниями материи и высокими энергиями, позволяет сымитировать предположительное состояние вещества в начале времён. И в конце таковых.

В этой части статьи мы попробуем осветить выдвинутые в последние годы идеи о том, что было "в самом начале" и будет "в самом конце" того ничтожного (ничтожного относительно самой вечности) промежутка времени, в котором существует "наша" вселенная.

Конец

Приблизительно полтора года назад физики Дартмутского колледжа и Калифорнийского политехнического института в Пасадене - Роберт Кодуэлл, Марк Камёнковски и Невин Вайнберг - опубликовали работу под названием "Призрачная энергия и Судный день Вселенной" (доступно здесь в формате PDF).

Основная идея этой работы состоит в том, что Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва в конце времён ожидает "Большой разрыв" всего и вся, включая атомные и ядерные связи.

А что происходит при разрыве атомных ядер? Правильно, очень-очень большой выброс энергии, иначе называемый ядерным взрывом.

С какой стати, спросим мы? А очень просто: всё упирается в пресловутую "тёмную энергию", непонятную физикам силу, обнаруженную, собственно говоря, только в 1998 году, силу, которая способствует всё ускоряющемуся разлёту галактик.

По мнению физиков, эта самая "тёмная энергия" способствует бесконечному расширению Вселенной, и даже не способствует, а является главным его движителем.

Так вот, Кодуэлл и его соратники полагают, что разлётом галактик дело не ограничится. В конечном счёте, разрыв пойдёт и на уровне внутреннего устройства этих галактик (то есть разлетаться друг от друга начнут и звёзды), затем постепенно начнётся разрушение солнечных систем, самих планет, а дальше - по нарастающей, вплоть до разрыва всё тех же ядерных связей с соответствующим выделением энергии, примерно через 22 млрд. лет, считая с данного момента.

Незадолго до этого Вселенная станет однородной, потом элементарные частицы окажутся изолированными друг от друга, за чем должен последовать, опять же, разрыв всего и вся, а стало быть, везде, где в вакууме останутся элементарные частицы, произойдут взрывы.

Отдельные Большие взрывы, разнесённые в пространстве и времени? В полном соответствии с предсказаниями Кэрролла и Чэнь?

Почему бы и нет, в конечном счёте?

Всё упирается в то, что никто, на самом деле, не может пока сказать, что это за штука такая - тёмная/призрачная энергия. Что она вообще из себя представляет, какими свойствами, помимо отталкивания галактик друг от друга, обладает, и, в конечном счёте, действительно ли она способна разорвать в конечном счёте даже элементарные частицы.

А вот этими знаниями человечество пока не обладает. Само понимание тёмной энергии получено косвенно, расчётным путём, хотя Альберт Эйнштейн и предсказал существование силы, обратной по воздействию гравитации, назвав её "космологической константой". Последние наблюдения показывают, что тёмная энергия не демонстрирует какой-либо изменчивости, а стало быть, возможно, действительно является постоянной величиной, обладающей неизменным действием на Вселенную. Значит ли это, что особо яркого будущего от Вселенной можно не ждать?

Пока учёные ищут способы выяснить истинную природу тёмной энергии. До того, как им это удастся, все косвенные теории можно считать домыслами.

Начало

А вот условия, воспроизводимые искусственно, "домыслами" считать не получается. И учёным, кажется, удалось воссоздать самые первые мгновения существования Вселенной - "нашей" Вселенной… И результаты получились несколько ошеломляющими.

Речь идёт об эксперименте, проведённом специалистами Брукхейвенской национальной лаборатории США в Аптоне, на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC). По утверждению физиков, занимавшихся этими экспериментами, им с высочайшей вероятностью удалось воссоздать именно те условия, в которых вещество пребывало в первые мгновения после Большого взрыва.

Суть эксперимента заключалась в том, что физики столкнули друг с другом атомные ядра на колоссальной скорости, что привело к распаду самой материи ядер. В результате, по мнению большинства экспертов, образовалась именно та первичная плазма, которая и существовала в первые мгновения после Большого взрыва, чем бы тот ни был вызван - плазма, состоящая из кварков и глюонов.

При этом, к большому удивлению учёных, выяснилось, что природа вещества неразрывно связана с тем вакуумом, в котором оно находится, и что вакуум - явление куда более сложное и многоликое, нежели считалось ранее, и что граница между "чем-то" и "ничем" - ещё зыбче, чем кто-либо мог предположить.

Дело в том, что кварки, являясь составными частями протонов и нейтронов, не могут существовать по отдельности. И чем сильнее какая-либо сила стремится их отделить друг от друга, тем мощнее становятся связующие их силы. Это, собственно, одно из ключевых положений теории квантовой хромодинамики (QCD).

Согласно этой теории, именно вакуум связывает кварки. Хотя и принято полагать, что вакуум - пустота, согласно теории квантовой хромодинамики, вакуум - очень сложное и динамическое явление, в котором буквально кишат, постоянно возникая и аннигилируя, пары "мнимых" частиц. Кроме того, вакуум оказывается весь пронизан сложными узлами и переплетениями пространства, по которым, собственно, и перемещаются глюоны, удерживая кварки вместе.

Эта странная картина имеет право на жизнь, поскольку теория квантовой хромодинамики успешно предсказывает поведение элементарных частиц, а потому заслуживает доверия.

Так вот единственный способ разъединить кварки - это "расплавить" вакуум между ними, а для этого требуется неимоверное количество концентрированной энергии, которая выделяется только при столкновении атомных ядер на огромной скорости. Предположительно такие же энергии наблюдались в том изначальном сгустке вещества, который, собственно и "разошёлся" Большим взрывом. То есть расплавить вакуум - означает достичь ровно того же состояния вещества, которое наличествовало сразу после Большого взрыва.

Брукхейвенский RHIC был построен как раз для этого. С 2000 года два потока ядер атомов золота постоянно направлялись навстречу друг другу, разгоняясь на трассе протяжённостью в 4 км и достигая энергии в 100 млрд. электронвольт. При столкновении возникает плазменный шар с температурой в 300 миллионов раз превосходящей температуру поверхности Солнца, внутри которого высвобождается более тысячи кварков. При случайном лобовом столкновении двух кварков, тех самых "мнимых частиц", колоссальная энергия их столкновения переходит в материю.

"Мнимые" частицы вакуума получают достаточное количество энергии, чтобы стать "реальными", и разлетаются в стороны, собирая из вакуума пары других частиц (а кварки всегда держатся по трое); процесс повторяется циклически, и в результате, образуются расходящиеся в разные стороны парные струи частиц, которые, собственно, и обнаруживают соответствующие сенсоры. Тем самым, демонстрируется присутствие кварк-глюонной плазмы, притом, что время её существования не превышает 10^-23 с.

Ранее считалось, что при "расплавлении" вакуума (а для этого нужна энергия порядка 170 млн. электронвольт) плазма будет вести себя как газ со слабым взаимодействием. Однако проведённые измерения указывают, что абсорбция парных струй частиц плазмой в 10 раз выше, чем предполагалось, а значит и плотность кварк-глюонной плазмы в 30-50 раз выше предсказанной. То есть она ведёт себя не как газ, а как жидкость, причём жидкость "идеальная". А следовательно, в первые мгновения своего существования наша Вселенная вся была жидкой.

Исходя из всего этого, нам, простым смертным, остаётся, по-видимому, лишь продолжать пытаться представить себе бесконечность этого процесса, зная, впрочем, что мы в любом случае обречены всегда знать, что ничего не знаем. Ибо даже те крохи знания об устройстве Вселенной, которыми человечество обладает сейчас, в сущности, ничтожны. Что, впрочем, не остановит учёных, стремящихся узнать как можно больше.