Через стотысячную долю секунды после Большого взрыва Вселенная уже достаточно остыла, чтобы производить нестабильные частицы, и почти все эти частицы распались. То, что осталось, оказалось стабильными частицами, что означает, что, если их оставить в покое, они будут существовать вечно, не распадаясь ни на что другое. И кварки, наконец-таки, объединились в протоны и нейтроны.
Бозон Хиггса
Наша текущая теория физики элементарных частиц называется Стандартной моделью элементарных частиц. В нее входят около 20 элементарных частиц. Однако большинство из них нестабильны – однажды возникнув, они распадаются, то есть превращаются в другие виды частиц, за крошечную долю секунды.
Одной из фундаментальных частиц является бозон Хиггса. В 2012 году он впервые был обнаружен на Большом адронном коллайдере, т. е. на практике было подтверждено его теоретическое существование.
Физики элементарных частиц создали бозон Хиггса, сильно столкнув два протона. Но созданный ими бозон Хиггса просуществовал всего долю секунды, после чего распался на ливень других частиц.
В ранней Вселенной столкновения сверхвысоких энергий происходили постоянно. Таким образом, новые бозоны Хиггса постоянно создавались, а затем распадались.
Однако бозон Хиггса – это всего лишь пример. То же самое происходило со многими другими типами частиц. В течение доли секунды в ранней Вселенной все элементарные частицы Стандартной модели непрерывно производились и уничтожались.
Электрослабый фазовый переход
Крупный переход произошел через стомиллиардную долю секунды после Большого взрыва. До этого момента нельзя было классифицировать одно взаимодействие как обусловленное сильной электромагнитной силой, а другое – как слабой. Эти две силы действовали идентично, как единое целое.
Но после того, как температура упала ниже квадриллиона градусов, эта единая сила стала действовать как две отдельные силы, ведущие себя по-разному.
Одно из них – сильное электромагнитное взаимодействие, а другое – слабое электромагнитное взаимодействие. Изменение от одной силы к двум явно разным – это то, что мы называем электрослабым фазовым переходом.
Итак, за одну стомиллиардную долю секунды Вселенная претерпела электрослабый фазовый переход, разделив силу на две.
Частицы и формы энергии
Следующий крупный переход произошел через стотысячную долю секунды. В тот момент Вселенная в основном состояла из тех же частиц и других форм энергии, что и сегодня: кварков, электронов, нейтрино, электромагнитного излучения, темной материи, темной энергии и антивещества.
Самая большая разница между частицами тогда и сейчас заключается в том, что сегодня все кварки связаны в протоны и нейтроны. Но в то раннее время все они были свободными. Чтобы объяснить, почему это изменилось, нам нужно кое-что понять о взаимодействиях между кварками.
Кварки
Кварки взаимодействуют друг с другом с помощью сильного электромагнитного взаимодействия, которое плотно связывает их вместе в более тяжелые частицы, такие как протоны и нейтроны. Внутри протона или нейтрона кварки оказывают друг на друга примерно невероятное количество силы, что означает, что оторвать их друг от друга чрезвычайно сложно.
Кварки имеют три разных заряда. По аналогии с основными цветами света, которые можно комбинировать для получения всех возможных цветов, мы называем кварковые заряды красным, зеленым и синим. Сильное взаимодействие заставляет разные цвета притягиваться, а подобные цвета отталкиваться.
Конечно, кварки на самом деле не имеют цветов в обычном смысле; цвет – это просто термин, используемый для описания того, какие кварки притягивают или отталкивают друг друга.
Силы притяжения и отталкивания
Протон или нейтрон состоит из трех кварков, по одному каждого цвета. Итак, каждый протон удерживается вместе сильной электромагнитного силой, которая связывает его кварки друг с другом. Однако, если вы посмотрите на два разных протона, сила притяжения разных цветов нейтрализует силу отталкивания одинаковых цветов, поэтому сильное взаимодействие между двумя протонами в основном нейтрализуется.
Когда температура Вселенной превышала триллион градусов, все кварки двигались со слишком большой энергией, чтобы слипаться.
В течение первой стотысячной доли секунды кварки постоянно сталкивались с такой силой, что отскакивали друг от друга, несмотря на тонны силы, притягивающей их друг к другу. Даже если бы два кварка, энергия которых оказалась меньше средней, смогли прилипнуть друг к другу, третий кварк немедленно ударил бы по ним с такой силой, что те снова разлетелись бы в стороны.
Однако в быстро расширяющейся ранней Вселенной плотность и температура скоро упали. Это означало, что с течением времени кварки стали двигаться все медленнее и медленнее.
Протоны и нейтроны
Через стотысячную долю секунды, когда температура Вселенной упала ниже триллиона градусов, кварки больше не двигались достаточно быстро, чтобы противостоять силам, притягивающим их друг к другу. Каждый кварк почти мгновенно находил себе пары, объединяясь в «сбалансированные по цвету» триады красный-зеленый-синий. Этими триадами были протоны и нейтроны, в форме, в которой с тех пор пребывает большинство кварков во Вселенной.
Объединение кварков в протоны и нейтроны было первым во Вселенной примером процесса, при котором по мере охлаждения Вселенной частицы объединялись во все более крупные структуры.
