Секунду спустя, через 1,1 секунды после начала, Вселенная уже заметно остыла, до десяти миллиардов градусов. Плотность Вселенной в это время была всего в 380 000 раз больше плотности воды, а после этого реакции между частицами были очень похожи на ядерные реакции, идущие сегодня в недрах Солнца и других звезд.
При температуре в три миллиарда градусов, менее чем через 14 секунд после начала, смогли, пусть и ненадолго, сформироваться первые ядра дейтерия. Водород – самый простой атом, с единственным протоном в ядре и одним электроном на орбите вокруг ядра (в каком-то смысле одиночные протоны можно считать ядрами водорода). Следующий по сложности атом – дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, а вокруг них по орбите вращается один электрон. Атомы, у которых одинаковое количество электронов, но разное количество нейтронов, обладают одинаковыми химическими свойствами и называются изотопами; дейтерий – изотоп водорода, который иногда называют «тяжелый водород».
Температура – мера средней скорости частиц, из которых состоит вещество (именно поэтому не может быть температуры ниже –273 °C, когда прекращается движение атомов), а при температурах выше трех миллиардов градусов протоны и нейтроны носятся так быстро, что способны лишь отскакивать друг от друга. Одни частицы движутся быстрее среднего, другие медленнее, хотя скорости большинства близки к средней. Поэтому, когда температура падает ниже этой величины, некоторые протоны и нейтроны движутся уже довольно медленно и при столкновении соединяются. Соединяет их притяжение, известное как сильное взаимодействие. Как ясно из названия, это мощная сила притяжения, возникающая между протонами и нейтронами. Однако действует она только на очень малых расстояниях, и быстрые частицы проскакивают мимо друг друга или отскакивают быстрее, чем сильное взаимодействие успевает их связать. Поначалу большинство ядер дейтерия, возникших таким образом, разрушались при столкновениях с более быстрыми частицами, но огненный шар понемногу остывал, и шансы на выживание у ядер дейтерия постоянно повышались.
Всего через 3 минуты и 2 секунды после начала температура упала ниже миллиарда градусов, и Вселенная была всего в семьдесят раз горячее, чем недра Солнца в наши дни. Теперь почти все ядра дейтерия могли соединяться попарно, и получались ядра гелия. Каждое ядро гелия содержит два протона и два нейтрона, всего четыре «нуклона», поэтому они называются ядрами гелия-4 (у атома гелия, разумеется, есть еще два электрона, вращающиеся вокруг ядра).
Так уж вышло, что ядра гелия-4 особенно стабильны. Однако в природе не существует стабильных ядер с пятью нуклонами (а казалось бы, что стоит добавить протон или нейтрон к ядру гелия-4) и с восемью нуклонами (если слепить вместе два ядра гелия-4). Поэтому процесс нуклеосинтеза после Большого Взрыва остановился на выработке гелия-4. Меньше чем через 4 минуты после начала вещество Вселенной пришло в равновесие на уровне около 75 % ядер водорода и 25 % гелия вперемешку с быстрыми электронами в океане горячего излучения.
Через полчаса – спустя 34 минуты после начала – температура снизилась до 300 миллионов градусов, и плотность Вселенной составляла всего 10 % плотности воды. Однако Вселенной пришлось остывать еще 700 000 лет, чтобы к ядрам присоединились электроны и возникли стабильные атомы. До этого, даже если положительно заряженное ядро пыталось захватить отрицательно заряженный электрон, этот электрон вышибал какой-нибудь энергичный фотон. Но после 700 000 лет температура Вселенной упала до 4000 градусов (примерно такова сегодня температура поверхности Солнца), и ядра наконец смогли удерживать электроны и формировать стабильные атомы. На протяжении большей части последних 15 миллиардов лет протоны, нейтроны и электроны соединяются в звезды и галактики, которые возникают из этого первичного материала, когда гравитация стягивает в пространстве облака газа. Излучение, оставшееся после Большого Взрыва, не имеет к этому никакого отношения, поскольку уже давно остыло настолько, что не может отделять электроны от атомных ядер и теперь просто остывает дальше по мере расширения Вселенной. Однако, как мы еще увидим, это реликтовое излучение, отголосок сотворения мира, сыграло важнейшую роль в том, чтобы убедить космологов, что одна из их «моделей» и в самом деле показывает, как обстоят дела в реальной Вселенной. А на фоне всего этого тот, кому предстояло в 1970-е годы продвинуть космологию на шаг вперед, к самым истокам, переживал свои взлеты – и в личной, и в профессиональной жизни.
Глава 6
Семья и работа
Середина 1960-х годов оказалась одним из важнейших периодов в жизни Стивена Хокинга. Когда он обручился с Джейн, то понял, что нужно как можно скорее найти работу, иначе свадьбу придется отложить. После защиты диссертации следующий шаг в карьере ученого – найти себе место в университете, обеспеченное грантом, чтобы продолжить исследования. Подобно тому как студенты ищут, где писать диссертацию, еще до того, как получили диплом бакалавра, заявления на должность в университете обычно подают еще во время работы над диссертацией, не оставляя ничего на потом. Поэтому Стивен должен был искать себе место, в муках сочиняя текст диссертации и зная, что на следующее лето назначена свадьба. К счастью, долго искать не пришлось. Он узнал, что в другом кембриджском колледже – колледже Гонвилля и Киза (сокращенно его называют Киз-колледж) – есть вакансия физика-теоретика, и к работе надо приступать ближайшей осенью. Хокинг тут же начал собирать документы. Однако эта сравнительно несложная задача оказалась для него серьезным препятствием.
Болезнь зашла уже так далеко, что он не мог писать, поэтому решил, что попросит Джейн напечатать заявление на машинке, когда она в ближайшие выходные приедет к нему в Кембридж. Но когда его невеста вышла из поезда, то поприветствовала его рукой по локоть в гипсе. Оказалось, на прошлой неделе она упала и сломала руку. Хокинг признается, что он отнесся к ее беде без должного сострадания, однако Джейн не стала долго на него дуться, и они вместе придумали, как все-таки написать заявление. Джейн сломала левую руку, но она правша, поэтому Хокинг диктовал, а она записывала текст заявления от руки. А потом его напечатал один их общий кембриджский друг.
Однако на этом сложности с документами у Хокинга не кончились. К заявлению надо было приложить две рекомендации. Первую, разумеется, предоставил Деннис Сиама – само собой, он очень хотел помочь Стивену и в качестве второго рекомендателя предложил Германа Бонди. Хокинг несколько раз видел Бонди на семинарах Роджера Пенроуза в Королевском колледже, и Бонди рецензировал статью, которую Стивен написал для Королевского общества несколько месяцев назад. Хокинга это очень воодушевило, и он решил просить Бонди дать ему рекомендацию, что едва не привело к катастрофе. Вот как об этом вспоминает сам Хокинг:
Я подошел к нему после лекции в Кембридже. Он рассеянно поглядел на меня и сказал, что да, напишет рекомендацию. Очевидно, он меня не помнил, потому что, когда колледж отправил ему запрос на рекомендацию, он ответил, что впервые слышит обо мне.
[24]
