Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Вечна ли материя?

Через несколько сотен триллионов лет последние звёзды погаснут, и Вселенная снова погрузится во тьму. Она будет полна мёртвых звёзд, излучающих остатки своего тепла в пустоту и продолжающими остывать, приближаясь к абсолютному нулю температуры. Возможно, таким и будет конец Вселенной, её окончательное состояние, в котором она будет пребывать вечно. Но, как мы вскоре увидим, законы квантовой механики указывают, что и само вещество может в конечном счёте раствориться во тьме.

Жизнь – непрерывная битва с распадом. Без постоянного восстановления и поддержания в рабочем состоянии всё ломается – машина, дом, ваше собственное тело. Распад неизбежен. Но для Вселенной на её самом базовом уровне распад – иллюзия.

Когда разлагается пища или ржавеет железо, химические связи образуются и разрушаются, но атомы, которые образуют молекулы и кристаллы и составляют основу материи, остаются неизменными. Если мы будем ломать и разрушать всё, в конце концов у нас останутся индивидуальные атомы, из которых и состоит всё вещество во Вселенной.

Но, хоть атомы и кажутся вечными и постоянными, мы знаем: на деле это не так. Элементы образовались в ранней Вселенной и в недрах звёзд, и некоторые из них могут разрушаться вследствие радиоактивности. Но некоторые атомы и вправду оказываются устойчивыми, невосприимчивыми к ней, и действительно в целости и сохранности доживут до долгого и тёмного будущего Вселенной.

А как же протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов? Насколько устойчивы они? Казалось бы, коль скоро некоторые атомы оказываются полностью устойчивыми, а их ядра состоят из протонов и нейтронов, последние, выходит, тоже должны быть устойчивы. Но если взять отдельный нейтрон и предоставить его самому себе, то примерно через 15 минут он исчезнет.

Нейтрон может распадаться, так как он немного более массивный, чем протон. Различие в массах между ними невелико, всего 0,1 %, но это значит, что у нейтрона достаточно энергии, чтобы превратиться в протон, электрон, почти безмассовое нейтрино и ещё чуть-чуть энергии (большая часть которой уходит на движения электрона и нейтрино). Здесь, конечно, работает знаменитый закон сохранения энергии: она не может быть создана или уничтожена, её можно только превратить из одного вида в другой. Если исходить из этого, общее количество энергии должно быть одним и тем же и до, и после распада нейтрона – не больше и не меньше.

А как же единичный протон? Распадается ли он таким же образом? Раз протон легче, он не может распадаться с образованием нейтрона – это было бы нарушением закона сохранения энергии. У протона просто-напросто недостаточно энергии, чтобы превратиться в нейтрон.

Ну и прекрасно, скажете вы. Почему же протон не распадается на что-то другое, менее массивное, чтобы закон сохранения энергии не нарушался? Протон мог бы распасться на 1000 электронов, и осталось бы ещё много неиспользованной энергии. Вот только, сколько учёные ни дожидаются, наблюдая поведение индивидуальных протонов, те всё никак не хотят распадаться ни на 1000 электронов, ни на 100, ни даже на 10 – даром что все эти возможности разрешены законом сохранения энергии.