Была Тьма: скрытое сперва во ^ьмс все это было бесформенным Хаосом. Все, что существовало тогда, было пустым и бесформенным, Великой силой тепла рождено было это Единое.

Ригведы «Песнь Творения»

На ранней стадии эволюции Вселенной, в первые минуты после начала расширения, плотность вещества была очень велика. При такой плотности должны были протекать ядерные реакции. Харак тер их существенным образом зависит от температуры. Была ли Вселенная в это время холодной или горячей?

Исторически первой еще в 1930 е г оды была рассмотрена мо­дель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество суще­ствовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось по­зднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце кон­цов, преврагилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, по­скольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водоро­да. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что перво­начально холодное вещество Вселенной состояло из смеси прого­нов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и дру1 их химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после тою, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невоз­можно объяс нить ядерными реакциями в звездах.

Модель горячей Вселенной была предложена рогсийско- амери­канским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Гамов стремился объяснить происхождение всех химических элементов ядерными реакциями, которые про екали в торячем веществе ранней Вселенной при се расширении. Это была неверная посылка, ибо, как мы теперь зна­ем, элементы тяжелее гелия образуются в звездах. Однако сама идея о горячей Вселенной оказалась правильной.

Один из выводов, кот эрый вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное из­лучение, образовавшееся в ту далекую :чюху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную торя — чую плазма В этой плазме, состоящей, в основном, из электронов и протонов, все частицы, тесно взаимодейст вуя, находились в равно­весии между собой и с излучением. При взаимодействии протонов и электронов образовывались нейтральные атомы, но они тут же разрушались под дейс твием кван гов элекгромаг нитного излучения Процессы ионизации уравновешивались рекомбинациями, и вся эта плазма вместе с иг лучением, участвуя в общем космолот ическом рас­ширении Вселенной, постепенно охлаждалась. Когда температура ее упала до 4000 К, энергия квантов стала уже недостаточной, что­бы ионизовать вещество. Равновесие нарушилось, процессы реком­бинации стали преобладать над ионизацией — в результате реком­бинации образовалось нейтральное вещество. С этого момента Все­ленная стала прозрачна для излучения. Излучение практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо. Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение продолжало равномерно запол­нять все пространство, только плотность его с расширением Все­ленной уменьшалась, и температура тоже палата. В настоящее время температура этого реликтового излучения-37, согласно расчетам Га — мова и его сотрудников, должна составлять несколько Кельвинов. Ьсли бы мы могли наблюдать это излучение, мы бы получили ин­формацию о далекой, дозвсздной стадии эволюции Вселенной, Koi да в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество.

Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из те­ории Гамова, никто не пытался его проверить. Видимо, все эти те­оретические построения представлялись экспериментаторам слиш­ком отвлеченными, далекими от действительности. (Игра ума тео­ретиков! Разве можем мы знать, что происходило во Вселенной в такую отдаленную эпоху?!) Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более по­здней стадии эволюции Вселенной В 19 64 г. советские астрофизи­ки А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков показали, что хотя общее количество энерши реликтовот излучения сравнимо с излучением I алакт ик, но в сантиметровом и миллиме тровом диапазонах радио­волн оно значительно превышает излучение всех остальных радио­источников и, следовательно, его можно обнаружить. Эта работа еще не была в полной мере осознана, когда в 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физика­ми Р. Вилсоном и А. Пензиасом с номощыо 7-метровой рупорной антенны, предназначенной лля наблюдения искусст венного спут­ника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной по лучила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.

Максимум энергии реликтового излучения приходится на длину волны около 1 мм, а распределение энергии по спектру соответствует чернотельному излучению с температурой около 3 К. Как уже отме­чалось, реликтовое излучение равномерно заполняет все простран­ство. В современную эпоху плотность энер1ии реликтового излуче­ния составляет приблизительно 5 • 10~13 эрг/см3, энергия одного фо­тона около Ю-‘5 эрг, следовательно, в одном кубическом сантиметре содержится 500 фотонов реликтового излучения. Это очень боль шая величина. Для сравнения напомним, что концентрация атомов водорода — самого распространенного элемента, в котором сосре­доточена практически вся «вещественная» масса Вселенной, состав­ляет 3 • 10~7 см "3 (один атом водорода илн один протон на несколько кубических метров). Следовательно, отношение числа фотонов к числу частиц вещества порядка 109, т. е. на каждый атом вещества приходит­ся миллиард реликтовых фотонов. Согласно соотношению Эйнш­тейна эквивалентности массы и энергии (Е = тс1), плотности энер­гии реликтового излучения е1ш = 5 • 1013 эрг/см-3 соответствует плот­ность массы р = 5-10"34 г/см3, что приблизительно в 1000 раз меньше, чем плотность массы обычно) о вещества рл щ = 3 • 10~3|г/см3. Таким образом, хотя по числу частиц реликтовых фотонов в. милли­ард раз больше, чем частиц вешества, они дают вклад в плотность Вселенной в 1000 раз меньший. Это относится к современной эпохе. Но так было не всегда Дело в том, что при расширении Вселенной концентрация частиц и плотность вещества убывае т пропорциональ­но а’г (напомним, что а — масштабный фактор); концен. рация фо­тонов также убывает пропорционально я 3, но, помимо этого, из-за красного смещения частота излучения и, следовательно, энергия (Е = Av) каждого фотона убывает как а’1. Значит, плотность излуче­ния убывает пропорционально а 4, т. е. быстрее, чем для вещества. Отношение f» (/р1Ш A{T). В современную эпоху оно равно 103, но с течением времени, по мере возрастания масштабного фактора из-за расширения Вселенной, эта величина будет расти. Напротив, в про­шлом отношение р11сЩ /рнм было меньше, чем сейчас. В эпоху, когда масштабный фактор (а значит, и размер Метагалактики) был в 1000 раз меньше современного значения, плотность вещества равнялась плотности излучения. Это о ютветствует эпохе, когда с начала расши­рения Вселенной прошло около 300 000 лет. При T > 3-105лет PnLiu>Pnxn плотность Вселенной определяется веществом; этот период развития Вселенной, в который живем и мы с вами, называется эрой вещества. При T < 3 ■ 105лет р11И>рпС11„ плотность Вселенной опреде­ляется излучением; coo Irc IСт вующая эра в развитии Вселенной назы­вается эрой излучения.

Выше речь шла о плотности вещества и излучения. Что касается отношения числа фотонов к числу частиц вещества, то, поскольку концентрация и тех и других с расширением Вселенной падает как я"3, отношение |фОТ/и11укл со временем не меняется и равно 10" Воз­никает вопрос — почему это отношение столь велико? Ведь, если в горячей Вселенной на раннем этапе все частицы находились в рав­новесии, то число частиц разного гипа должно было быть пример­но равным. Но как только мы задумываемся над этим вопросом, возникает другой, гораздо более важный вопрос — а почему, вооб­ще, существует вещество в нашей Вселенной? Ведь если когда-то все частицы находились в равновесии, то число частиц должно было равняться числу античастиц. Почему же тогда образовалось только вещество, куда делось антивещество? Конечно, для нас это обстоя­тельство весьма благоприятно, ибо если бы во Вселенной существо­вало в равных количествах вещество и антивещество, го в какой-то момент оно должно было аннигилировать, и тогда весь Мир состо­ял бы только из излучения. Разгадка этих проблем, как оказалось, кроется в самых ранних этапах эволюции Вселенной, когда после сингулярности прошли ничтожные доли секунды.

[Сак близко можно подойти к сингулярност и, двигаясь назад во времени, и как определить условия в ранней Вселенной? Теория го рячей Вселенной дает простые соотношения для масштабного фак тора, плотности и температуры в любой момент времени для ран­ней Вселенной:

A(T) ос /1/2; р(/) ос а"4 ос г2; Т°с ос г|/2

Или:

,. 510s. , т 10,оК , ч, ЧЗК

Р(/) = —— г/см3; T = —jj— a(t) = a(t0)—

Здесь T — время в секундах, отсчитываемое от сингулярности, T0 — Современный момент времени.

В своей замечательной книге «Первые три минуты»’38, изданной в 1977 г., С. Вайнберг начинает историю Вселенной с момента T = 0.01 с, когда температура составля [а 10" К (в 10 тыс. раз выше, чем в недрах Солнца). Современные космологи идут гораздо даль­ше, они начинают с момента / = 3 • Ю-44 с. Эт о так называемое нлан — ковское время. Дальше к синг улярности дви1 аться уже невозможно, ибо здесь начинают сказываться квантовые эффекты, и привычное нам понятие времени теряет смысл. Мы начнем описание истории горячей Вселенной с момента T = 10 34 с; более ранний период будет рассмотрен в следующем пункте.

,3Ч Вайнберг С Первые трн минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной —М 1 Энергонздат, 1981.

При T = Ю-34 с температура состаьляла 1027 К, радиус Метагалак­тики равнялся 30 см (!), а плотность составляла Ю7* г/см3. Темпе­ратуру Т = 1027 К называют температурой великого объединения, ибо при этой температуре crapaei ся различие межд> гремя видами физических взаимодействий — электромагнитным, сильным и сла­бым. Существует Единое физическое взаимодействие, проявлением которого при меньшей температуре является электрослабое и силь­ное взаимодействие. Но здесь нам придется сделать небольшой экс­курс в физику элементарных частиц.

Все многообразие физических сил и взаимодействий, существу­ющих в природе, сводится к четь. рем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Грави­тационное взаимодействие — сила всемирного тяготения дейст вует на все тела и частицы. По сравнению с дру1 ими взаимодействиями. оно очень слабо и в мире элементарных частиц практически не ска — 31 твается. Тяготение становится заметным на больших расстояниях и для тел достаточно большой массы. Электрома1 яитные силы опре­деляют взаимодействие между заряженными частицами. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как совершенно независимые. Но затем была установлена тесная взаимосвязь межд»’ ними: движение электричес­ки} зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла электрические и маг­нитные явления были объединены в единое электромагнитное взаи­модействие. Слабые взаимодействия характеризуют все типы про­цессов с элементарными частицами, в которых принимают участие нейтрино. Они, в час гности, ответст венны за распад нейтрона и, сле­довательно, за процессы радиоактивною распада. В отличие от гра­витационного и электромагнитного взаимодействий, которые изме­няют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодей­ствие меняет вну треннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях слабое взаимодействие слабее электромагнитного и тем более силь­ного (отсюда и его название), но оно значительно сильнее гравита­ционного взаимодействия. Наконец, сильное взаимодействие харак­теризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах. Важной особенностью сильных и слабых взаимо­действий является то, что они действуют только на очень малых рас­стояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10~13 см, а радиус действия «слабых» сил порядка 10"’6 см. Поэтому в обычных масш­табах эти силы не оказываются, здесь действуют только гравитацион­ные и элект рома] нитные силы.

В соотвс тствии с типами взаимодействий, все элементарные час­тицы делятся на два больших класса, сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаи­модействиях, — лептоны. К последним относятся: электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау — нейтрино (а также соответствующие античастицы). Что касается адронов, то в последние десятилетия было установлено, что они, строго говоря, не являются элементарными част ицами: адроны со­стоят из фундаментальных частиц — кварков. В обычных условиях (т. е. в тех условиях, которые имеют место во Вселенной в совре­менную эпоху) кварки в свободном виде не встречаются, они суще­ствуют только в составе адронов. Силы, которые удерживают квар­ки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два типа частиц: мезо­ны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион — из грех кварков. К барионам относятся протоны, нейт­роны и нестабильные частицы — i ипероны. Полное число имею­щихся в системе барионов минус число антибарионов определяет барионный заряд. Если число барионов равно числ) антибарио­нов, то барионный заряд равен нулю.

Физические взаимодействия осущесть^шются с помощью особых частиц-переносчиков. Переносчиками гравитационного взаимодей­ствия являются кванты гравитационного поля — гравитоны, пере­носчиками электромагнитного взаимодействия — фотоны, а пере­носчиками сильного взаимодействия — глюоны. В отличие от час­тиц материи — ферминов, к которым относятся и адроны, и лег. гоны, частицы-переносчики называются бозонами. К ним относятся фо­тоны, гравитоны, глюоны и другие виды бозонов. Так, переносчи­ками слабого взаимодействия являются три вида частиц: W’, W и Z°-6030Hbi. Эти частицы обладают большой массой и для их обра — зозания надо затрат ить очень большую энергию. При температуре Т > 10|5К, когда энергия частиц превышает 100 ГэВ, WT, W" и Z°-6030Hbi рождаются столь же легко, как и у-кванты. При этих ус­ловиях исчезает различие между слабым и электромагнитным взаи­модействиями, и они объединяются в единое электрослабое взаи­модействие. При еще более высокой температуре Т = 1027 К, когда энергия част иц состав шет 1014 ГэВ. исчезает различие между силь­ным и эл^ктрослабым взаимодействием, и они объединяются в еди­ное универсальное взаимодействие (взаимодействие великого обье динения). Переносчиками этого взаимодействия являются сверхтя­желые частицы X и Y бозоны. С их помощью кварки могут iпревра­щаться в лептоны и антикварки, т. е. стирается грань между основными типами элементарных частиц.

Теперь мы можем вернуться к ранней Вселенной в момент, когда от начала расширения прошло 10"34 секунды. При T < 10~34 с темпе­ратура Т> 1027К, т. е. больше температуры великого объединения. При такой температуре адроны распадаются на кварки, значит, силь­но взаимодействующие частицы существуют только в виде свобод­ных кварков. Вселенная состоит из кварков, лептонов и фотонов. Все частицы находятся в равновесии, кварки свободно переходят в лептоны и наоборот, частицы переходят в античастицы. Число ча­стиц равно числу античастиц, в том числе число кварков равно чис­лу антикварков. Полный электрический заряд и барионный заряд равны нулю. Эта чудовищно горячая динамичная смесь взаимопрев- ращающихся частиц и есть та Первичная «Огненная» Субстанция Физического Мира, из которой, в конце концов, возникает извест­ная нам Вселенная со всем многообразием существующих в ней форм материи. Рассмотрим главные этапы эволюции горячей Вселенной.

При T > 10"34 с температура падает ниже 1027 К. При такой тем­пературе тяжелые Х-бозоны не образуются, а существующие начи­нают распадаться. Теперь уже кварки не могут превращаться в леп­тоны, происходит разделение великого взаимодействия на сильное и Злектрослабое. Одновременно, благодаря несимметрии в свой­ствах частиц и античастиц, при распаде Х-бозонов нарушается рав­новесие между кварками и антикварками. Возникает избыточный барионный заряд, равный 10~9 на одну частицу. Это значит, что число барионов на одну миллиардную часть превосходит число ан — гибарионов. Но именно эта ничтожная разница в числе барионов и антибарионов приводит впоследствии к возникновению мира из ве­щества. Как это происходит?

Прежде всего при температуре порядка 3 • 1012 К кварки объеди­няются в ядерные частицы — образуются протоны и нейтроны. При этом барионный заряд сохраняется, т. е. число нуклонов[96] на одну миллиардную превышает число антинуклонов. Так как пол­ный электрический заряд остается равным нулю, то имеется также небольшой избыток электронов над позитронами порядка 10 9, от­рицательный электрический заряд которых компенсирует положи­тельный заряд избыточных протонов. Этот избыток электронов возник одновременно с возникновением избыточного барионного заряда. Почти сразу же после образования ядерных частиц при Т~ 1012 К (/ = Ю"4 с) происходит аннигиляция нуклонов н антинук­лонов. При этом остаются только избыточные нуклоны, для кото­рых не хватило соответствующих античастиц. Эти избыточные нук­лоны и образуют основу современного вещества Вселенной. Если бы не было этого небольшого числа избыточных нуклонов, мир бы сей­час был практически «пустым» (т. е. лишенным вещества). Так как основная масса нуклонов аннигилировала, образовав кванты элект­ромагнитного излучения, то отношение числа оставшихся частиц к фотонам «,1ук.,/ИфОТ = 10~’J. Это как раз та величина, которая наблюда­ется в современной Вселенной, что является свидетельством правиль­ности нарисованной картины.

В течение всего периода до аннигиляции нуклонов основная мас­са Вселенной была сосредоточена в адронах. Поэтому этот период получил название адронная эра. Она длилась примерно от 3 • 10-35 с до 10"4 с. Аннигиляция нуклонов знаменует конец адронной эры. Поскольку почти все адроны аннигилировали, оставив лишь ничтож­ный избыток = 10"9, то основная масса Вселенной после аннигиля­ции сосредоточилась уже не в адронах, а в лептонах. Соответствую­щий период в истории Вселенной получил название лептонная эра. Она длилась от 10"4 до 100 секунд. Вселенная в этот период состоит из лептонов (т. е. электронов, позитронов, нейтрино и антинейтри­но), а также из фотонов и остаточного числа нуклонов, образовав­шихся после аннигиляции. В начале лептонной эры, когда температу­ра была еще очень высока, все частицы находились в термодинами­ческом равновесии, тесно взаимодействуя друг с другом. В середине лептонной эры, при t = 0,2 с, когда температура упала до 2 • 1010 К, происходит важное событие в жизни Вселенной: нейтрино переста­ют взаимодействовать с электронно-позитронной плазмой, так как их энергии уже недостаточно для образования пары электрон-по­зитрон. Начиная с этого момента, они отделяются от вещества и не­зависимо от него (не взаимодействуя с веществом) участвуют в общем расширении Вселенной. Эти реликтовые нейт рино должны существо­вать и в настоящее время, их температура (упавшая из-за расширения Вселенной) в современную эпоху составляет 2 К, а концентрация рав­на 450 частиц в куб. см (всех видов нейтрино). Если бы нам удалось зарегистрировать эти нейтрино, мы могли бы «зактянуть» в эпоху, отстоящую от сингулярности всего на 0,2 с (!), т. е. значигельно бли­же, чем с помощью реликтовых фотонов. К сожалению, обнаруже­ние реликтовых нейтрино находится пока за пределами эксперимен­тальных возможностей.

Спустя примерно 10 с после начала расширения Вселенной, когда температура упала до 3 — 10У К, началась аннигиляция эл :ктроноь и позитронов. Этот процесс закончился приблизительно через 3 ми­нуты (при Т~ 109 К). В результате электроны и позитроны превра­тились в кванты электромагнитного излучения, остался лишь не­большой избыток электронов, отрицательный электрический заряд которых в точности компенсирует положительный электрический заряд избыточных протонов. Выделившаяся при аннигиляции энер­гия пошла на увеличение температуры фотонного газа. Температу­ра нейтринного газа осталась без изменения, так как нейтрино не взаимодействуют ни с веществом, ни с излучением. Благодаря этому современная температура реликтовых фот >нов (3 К) на 1 К выше температуры реликтовых нейтрино. Поскольку большая часть леп — тонов проаннигилировала, основная масса Вселенной сосредото­чилась теперь в фотонах. Наступила эра излучения, о которой мы упоминали выше. Эта эра длилась несколько тысяч лет.

В самом начале эры излучения, приблизительно через 5 минут после начала расширения, когда температура упала ниже 109 К, на­чался процесс нуклеосинтеза — образование ядер гелия в резуль­тате цепочки ядерных реакций (с участием дейтерия). Этому пред­шествовал процесс распада нейтронов — превращения их в прото­ны. К моменту начала ядерных реакций (длившихся всего несколько секунд) доля нейтронов ненамного превышала 10 %, все они в ре­зультате реакций оказались связаны в ядра гелия. Таким образом, масса нуклонов (протонов и нейтронов), сосредоточенных в яд­рах 4Не, составила 25 % от общей массы нуклонов. Оставшиеся 75 % пришлись на долю прогонов, которые в конце эры излуче­ния, после рекомбинации, вошли в состав атомов водорода. Сле­довательно, первичное вещество Вселенной должно было на 75 % состоять из водорода и на 25 % из гелия. Это соответствует на­блюдаемому химическому составу. Правда, в современную эпоху гелия несколько больше — около 30 %, но ведь часть гелия образу­ется в звездах. Объяснение наблюдаемого обилия водорода и ге­лия, как н предсказание реликтового излучения, является важ­Ным достижением горячей модели и всей фридмаиовской кос­мологии

После периода ядерных реакций ионизированный водород и ге­лий еще долго находятся в равновесии с излучением, и только через 200 ООО лет, когда температура водородно-гелиевой плазмы упала до 4000 К, произошла рекомбинация и вещество отделилось от излуче­ния. Спустя еще около 100 тыс. лет, при температуре меньше 3000 К, плотность образовавшегося нейтрального вещества превысила плот­ность да лучения. Началась эра вещества. В это время Вселенная была в 1000 раз меньше, чем сейчас. С переходом к эре вещества изменил­ся и закон расширения Вселенной: до этого масштабный фактор уве­личивался со временем пропорционально /1/2, а с переходом к эре вещества этот закон сменился законом A(T) «* T2/3.

Некоторые параметры Вселенной в различные периоды ее эво­люции приведены в таблице 2 2.1.

После рекомбинации Вселенная представляла собой однородное первичное вещество — нейтральный водородно-гелиевый газ, погру­женный в океан фотонов и нейтрино. Эти три составляющие, не вза­имодействуя, взаимопроникали друг друга, участвуя в общем расши рении Вселенной. Теперь ее дальнейшая судьба связана с эволюцией вещества. Лишенное какой бы то ни было структуры первичное веще­ство Все ленной в потенции должно было содержать в себе весь шт 6oi атый, многообразный мир форм, который окружает нас сегод­ня В течение сотен миллионов лет в первичном веществе постепенно созревали условия дли образования галактик. Как это произошло, мы рассмотрим позднее. А сейчас нам надо вернуться к самому нача­лу, чтобы понять, как началось расширение Вселенной.