Как сказал замечательный писатель Терри Пратчетт, "In the beginning there was nothing, which exploded". Если переводить дословно, то это будет звучать примерно так: "Вначале было ничего, которое взорвалось". Многие именно так и представляют себе Большой Взрыв, но однако между "ничего" в представлении большинства и "Ничего", которое взорвалось, на самом деле есть большая разница. И именно её мы сейчас обсудим. Что взорвалось и почему? А главное, как оно там оказалось изначально? Что там было такого, что при взрыве породило целую Вселенную? И как оно туда упаковалось?
Итак, начнём.
Все мы знаем со школы, что такое атомы. Это такие маленькие штучки, из которых всё состоит. Ещё древние греки заметили, что бельё, разложенное для просушки, почему-то высыхает. Значит, сказали древние греки, вода состоит из чего-то очень маленького и это маленькое постепенно исчезает. Впрочем, замечали-то это все (особенно женщины, которые для того собственно и раскладывали это бельё), но только мужчины наконец решили подумать о природе вещей за таким банальным занятием. И не все, а только Левкипп и Демокрит. Они назвали эти штучки атомами, что означает неделимый. И вот тут они были неправы, но они об этом не узнали и умерли счастливыми, что познали природу вещей.
Итак, сказали они, мир состоит из крошечных атомов и пустоты.
Прошло время. И однажды люди выяснили, что мир немного сложнее. И когда-то неделимый атом оказалось очень даже делится. Сначала они поделили атом на две главные штучки — протон и электрон. Протон заряжен положительно и гордо располагается в центре атома, а электрон заряжен отрицательно и летает по орбите вокруг. И ученые решили, что теперь-то уж это те самые неделимые части. Протон это такая большая штучка, а электрон — маленькая, в 1000 раз меньше массой. Их часто так и изображали в виде одного шарика в центре и другого на орбите. Впрочем, это только самый простейший атом водорода, у которого есть только один протон и один электрон, а другие атомы оказались чуть сложнее — у них в центре было несколько протонов, а вокруг летало несколько электронов, но всё равно всё было красиво и понятно, потому учёные успокоились:
Мир состоит из протонов, электронов и пустоты.
Однако этой пустоты оказалось неожиданно много. Если рассмотреть самый простой атом водорода и представить себе, что он стал размером с э… скажем стадион, то протон в его центре будет размером с яблоко, помещенное в центре, а вот электрон будет летать на расстоянии внешнего контура этого стадиона. Всё же остальное будет та самая пустота. А вот если в центре атома размещается несколько протонов, то и электронов вокруг вращается гораздо больше. Но все они расположены на разных орбитах, и эти орбиты располагаются всё дальше и дальше от оного ядра. И расстояние это измеряется уже в нескольких стадионах или в нескольких десятках стадионов.
Но этим приключения маленьких штучек не закончились. Сначала учёные мужи составили таблицу элементов по количеству протонов в ядре атомов. Оказалось, что вещества очень сильно меняют свои свойства в зависимости от этого количества. Потом люди нашли также способы измерить вес ядра атома и выяснили, что протонов как-то маловато, а массы многовато. Значит, решили учёные мужи, что кроме протонов в ядре есть что-то ещё, что имеет массу, но не имеет заряда. Так оно и оказалось. Они нашли частицу с массой примерно как у протона, но нейтральную (не имеющую заряда). Они назвали ее нейтроном — чтобы долго не мучиться над названием. Кроме того там в ядре оказалось ещё много чего интересного, но мы об этом поговорим в другой раз.
Попутно выяснилось, что протон — это очень стабильная частица, один из основных элементов, из которых построена Вселенная. Те протоны, которые находятся внутри нашего тела или тела нашей планеты существуют прямо-таки со времени Большого Взрыва — миллиарды лет. Ощутили? Прониклись? То-то! А нейтрон? А он как раз любит разваливаться на части. Этот процесс называется бэта-распад, когда нейтрон делится на протон и электрон. Ну и кое-что ещё, но мы пока это оставим. Вместе в ядре каждого элемента они уживаются вполне дружно — протоны и нейтроны, крепко держась друг за дружку и не желая разрывать объятия. А электроны (которые тоже оказались очень стабильными частицами) летают вокруг на расстоянии, о котором мы тут уже рассказали.
И надо сказать, что летают они по особым орбитам, причем каждый электрон имеет персональную орбиту, и орбиты эти никогда не пересекаются и расположены одна внутри другой как оболочки или как матрешки. А между ними — большое пустое пространство. Никакой электрон не может занимать орбиту, где уже обитает другой электрон. Не положено. По правилу Доктора Паули, вернее по принципу запрета. Нельзя, запрещено. И электроны Доктора Паули слушаются. До поры до времени. Но наступает момент, когда…
Нет, сначала ещё немного попутешествуем вглубь частицы. Те протоны и нейтроны, которые сначала казались теми самыми неделимыми частицами, тоже как на грех оказались вполне делимыми. Они поделились на кварки, по три в каждом нейтроне и в каждом протоне. Кварки оказались очень разные, и учёные сломали голову, придумывая им разные названия и цвета, и прочие характеристики. Но это нам сейчас не нужно. Важно то, что теперь и протоны с нейтронами состоят из каких-то там кварков и пустоты. И вполне возможно это еще не предел деления.
Уф… Передышка. Ну хорошо. Мы теперь знаем, что неделимый атом оказывается вполне даже делимым, и даже на много частей.
А теперь давайте представим такое: где-то во Вселенной летят себе частицы или атомы; они самые разные, но летят они где-то рядом друг с другом, и потому они друг к другу притягиваются. Собираясь постепенно в одну большую кучу, они притягивают к себе и другие частицы и атомы, и их становится все больше и больше. Чем больше их становится в куче, тем больше они притягивают к себе других. И так далее. Проходит время — и появляется небесное тело, которое состоит в основном из водорода и незначительного количества других элементов. И понятно, что в этом небесном теле самое густонасёленное место — это центр. Там становится очень тесно, и всё остальное давит на этот самый центр. Ну как в океане давление увеличивается с глубиной, так же и в газовых образованиях. Чем выше, тем атмосфера разреженнее — как на Земле. И наоборот, чем глубже — тем гуще.
А теперь представьте себе, что происходит в глубине Марианской впадины на Земле. Давление там так велико, что подводную лодку раздавит как скорлупку. А вот обычный атом в этой Марианской впадине чувствует себя вполне неплохо. Однако представьте себе глубину океана Солнца или другой звезды. Вот тут на самой глубине этому атому уже становится некомфортно. А если это звезда массой в несколько десятков или сотен солнц? Атомам внутри в глубине становится уже совсем плохо. Они еле-еле удерживают тот страшный вес, который давит на них сверху.
И однажды атомы в глубине не выдерживают!
Сначала (как предполагают) внутри звезды происходит так называемый обратный бэта—распад. Как мы помним, во время прямого бэта—распада нейтрон превращается в протон, электрон и кое-что ещё. А во время обратного бэта—распада протоны и электроны соединяются вместе, чтобы образовать нейтрон. Что происходит при этом? Если между электроном и протоном расстояние, подобное стадиону (в сравнительном масштабе атома), то можно себе представить, какое расстояние "выдавлено" из звезды (если можно конечно так сказать)!
Звезда, которая имеет массу например в десять солнц и диаметр которой исчисляется в миллионах километров, коллапсирует в нейтронную звезду (почти той же массы, за исключением того, что улетело во Вселенную во время коллапса-взрыва). Но размер этой новой нейтронной звезды будет измеряться не в миллионах и даже не в тысячах километров. Размер ее, вернее диаметр, будет скажем километров 20, и это то расстояние, которое наверное каждый день средний горожанин проезжает от дома до работы и обратно.
Но и это еще не предел сжатия. Потому что в один момент и границы между частицами рушатся, и звезда сжимается до кварковой звезды, то есть становится еще меньше в размере.
Думаете это предел? Да нет, конечно. Ведь мы же знаем, что существуют еще и черные дыры — так называемые космические объекты, в которые само-упаковываются звезды массой от нескольких десятков до нескольких миллионов солнц. И мы только можем вообразить, до какой микроскопической элементарной частицы доделился атом, чтобы потом упаковаться так основательно, что не останется ни миллиметра свободного пространства между этими прото-частицами. Ни микрометра пустоты. Ни нано- пико- фемто- атто- зепто- йокто-метра пустоты. Ничего. Всё. Мы дошли до предела делимости атома. Мы получили первичный прото-песок и сложили всё в прото-песочницу. Получилось космическое тело, которое практически не имеет физического размера. Ничего себе "Ничего" получилось? Так какое же это "ничего", если по массе оно равно той самой звезде массой в миллион солнц? А если слились вместе несколько подобных черных дыр? А однажды и вся Вселенная может упаковаться в такой вот космический объект, который… Ну вы представили себе эту массу — массу Вселенной. Как вам это "Ничего"?
И если однажды оно взорвется, то будет новый Большой Взрыв, новые звезды и галактики. И всё пойдёт сначала…
Этот материал с иллюстрациями можно посмотреть по ссылке
https://nebula8.livejournal.com/334983.html
И то же самое на английском языке:
https://yeshe.dreamwidth.org/292152.html