Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

протонами і нейтронами, утворюючи ядра гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів, а також невелику кількість важчих елементів, літію і берилію. Можна порахувати, що відповідно до моделі гарячого Великого вибуху приблизно чверть протонів і нейтронів має перетворитися в ядра гелію, і невелику кількість важкого водню та інших елементів. Решта нейтронів мають розпастися на протони, ядра звичайних атомів водню.

Цю картину гарячої ранньої стадії Всесвіту вперше запропонував науковець Георгій Гамов у відомій статті, яку написав 1948 року разом зі своїм аспірантом, Ралфом Альфером (Алфером). Гамов мав добре почуття гумору — він умовив науковця-ядерника Ганса Бете додати його ім’я до статті, щоб список авторів виглядав, як «Альфер, Бете, Гамов», схожий на перші три літери грецької абетки, альфа, бета, гама: дуже пасував до статті про початок Всесвіту![24] В цій статті вони зробили видатне передбачення, що проміння (у вигляді фотонів) з дуже гарячих ранніх стадій Всесвіту все ще буде наявне сьогодні, але його температура впаде до лише декількох градусів вище від абсолютного нуля (-273ºC). Це те проміння, яке знайшли Пенціяс та Вілсон в 1965 році. Коли Альфер, Бете і Гамов написали свою статтю, було ще мало відомо про ядерні реакції протонів і нейтронів. Тому передбачення, зроблені для пропорцій різних елементів у ранньому Всесвіті, були досить неточні, але ці розрахунки повторено пізніше, у світлі нових даних, і тепер вони добре збігаються з тим, що ми спостерігаємо. Дуже важко, крім того, пояснити іншими причинами, чому у Всесвіті має бути так багато гелію. Тож ми досить впевнені, що маємо правильну картину, принаймні від першої секунди після Великого вибуху.

Лише через декілька годин після Великого вибуху утворення гелію та інших елементів припинилось. І після цього, протягом приблизно мільйона років Всесвіт просто розширювався без будь-яких інших значних подій. Згодом, коли температура впала до декількох тисяч градусів і електрони та ядра більше не мали достатньо енергії, щоб долати електромагнетне притягання між ними, вони почали об’єднуватися, створюючи атоми. Всесвіт як ціле продовжував розширюватися і охолоджуватися, але в областях з дещо більшою, ніж у середньому, густиною розширення сповільнилося через додаткове гравітаційне притягання. Це зрештою зупинило розширення в деяких областях і примусило їх почати стискатися знову. При стисканні під гравітаційним впливом зовнішньої до цих областей матерії могло початися їх повільне обертання. Коли область, що стискається, стає меншою, вона починає обертатися швидше, так само як фігуристи на льоду починають обертатися швидше, коли притискають руки. Зрештою, коли область стає досить малою, вона буде обертатися досить швидко, щоб врівноважувати притягання гравітації. Так народилися дископодібні обертові галактики. Інші області, що не почали обертатися, стали об’єктами овальної форми, так званими еліптичними галактиками. Така область перестане стискатися, бо окремі частини галактики будуть обертатися стабільно навколо своїх центрів, але сама галактика обертатися не буде.

З часом газ водню і гелію в галактиках розпадеться на менші хмари, що стискатимуться під дією власної сили тяжіння. В міру того як вони стискалися і атоми в них зіштовхувалися між собою, температура газу піднімалася, поки нарешті він не став достатньо гарячим, щоб почалися реакції ядерного синтезу. Як наслідок, водень перетвориться в додаткову кількість гелію, а виділене тепло підвищить тиск, що зупинить подальше стискання хмар. Вони залишатимуться стабільними в цьому стані тривалий час, як зорі, схожі на наше Сонце, спалюючи водень на гелій і випромінюючи здобуту енергію у вигляді тепла і світла. Масивніші зорі повинні бути гарячіші, щоб врівноважити своє сильніше гравітаційне притягання, тоді реакції ядерного синтезу протікатимуть так набагато швидше, що вони використають весь свій водень менш ніж за сто мільйонів років. Тоді вони трішки стиснуться, і в міру їх подальшого нагрівання гелій почне перетворюватися на важчі елементи, як вуглець або кисень. Це, однак, не вивільнить набагато більше енергії, тож станеться криза, як це описано в розділі про чорні діри. Що відбувається далі не зовсім ясно, але цілком ймовірно, що центральні ділянки такої зорі почнуть колапсувати до дуже густого стану, як у нейтронних зір або чорних дір. Зовнішні області зорі деколи можуть бути викинуті величезним вибухом так званої наднової, яка затьмарить усі інші зорі в своїй галактиці. Деяка частина важчих елементів, створених у кінці життя зорі, буде викинута в галактичний газ, і стане сировиною для наступного покоління зір. Наше Сонце містить десь 2 відсотки цих важчих елементів, бо це зоря другого чи третього покоління, сформована приблизно п’ять мільярдів років тому з хмари обертового газу, що містив уламки раніших наднових. Більша частина газу з цієї хмари пішла на формування Сонця чи була відкинута геть, але невелика частина важчих елементів зібралася разом, створивши тіла, що тепер обертаються навколо Сонця, як планети на взір нашої Землі.

Спочатку Земля була дуже гаряча і не мала атмосфери. З часом вона охолола і набула атмосферу через виділення газів з гірської породи. Ця рання атмосфера не була придатна для нашого життя. Вона не містила кисню, зате було багато інших, отруйних для нас, газів, наприклад сірководню (газу, який має запах тухлих яєць). Однак є інші, примітивні, форми життя, що можуть процвітати в таких умовах. Вважається, що вони розвинулися в океанах, можливо, в результаті випадкових комбінувань атомів у великі структури, так звані макромолекули, здатні компонувати інші атоми з океану в подібні структури. Таким чином вони самовідтворювалися і розмножувалися. Деколи при відтворенні ставалися помилки. Переважно ці помилки призводили до того, що нова макромолекула не могла самовідтворюватися і врешті-решт була знищена. Однак деякі помилки привели до нових макромолекул, що розмножувалися навіть ще краще. Тому вони мали перевагу і замінювали початкові макромолекули. Так почався процес еволюції, що привів до розвитку все складніших, самовідтворних організмів. Перші примітивні форми життя споживали різні речовини, зокрема сірководень, і виділяли кисень. Це поступово змінило склад атмосфери до сьогоднішнього, який дозволив розвинутися вищим формам життя, зокрема рибам, рептиліям, ссавцям і зрештою людській расі.

Ця картина, де Всесвіт почався дуже гарячим і охолонув при розширенні, відповідає всім результатам спостережень, які ми маємо сьогодні. Проте вона залишає без відповіді декілька важливих питань:

1. Чому ранній Всесвіт був такий гарячий?

2. Чому Всесвіт такий однорідний у великому масштабі? Чому він виглядає однаково в будь-якому напрямі в усіх точках простору? Зокрема, чому температура мікрохвильового фонового проміння майже однакова, якщо дивитися в різних напрямах? Це як питати студентів на іспиті. Якщо вони всі дають однакову відповідь, можна майже впевнено сказати, що вони спілкувалися між