15.2. РОЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ ПО СОВРЕМЕННОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Однородное микроволновое излучение, оставшееся от

такой реакции подтвердил американский физик У.Фаулер

ранних стадий развития Вселенной, пронизывает простран-

на ускорителе высоких энергий, а Хойл и Солпитер подвели

ство, что подтверждают и точные исследования, прове-

под эти эксперименты теоретические обоснования. К 1957 г.

денные со спутников. Для понимания явлений космологи

Фаулер, Хойл, Маргарет и Джеффри Бербидж разработали

привлекают идеи, опирающиеся на физику элементарных

теорию синтеза большинства химических элементов â

частиц. Физика элементарных частиц и ядерная физика

звездных недрах из водорода и гелия. Внутри звездных

сыграли большую роль при создании теорий и расши-

печей легкие элементы «сплавились» в тяжелые ядра,

ряющейся, и стационарной Вселенной. Особенно живитель-

которые рассеялись в пространстве в результате взрыва

ным для них оказался вклад Эйнштейна и Планка, которые

сверхновых или смерти красных гигантов (каким через

в начале века сформулировали физику абсолютно черного

5 млрд лет станет наше Солнце). Затем цикл повторится с

излучения: поскольку на ранней стадии расширения должно

образованием звезд следующего поколения.

быть равновесие между энергией и веществом, то энергия,

Однако их теория не могла объяснить существование

выделившаяся при взрыве, должна иметь спектр черного

трех легких элементов — лития, бериллия и бора. Из-за

излучения.

своей неустойчивой природы эти элементы должны образо-

Теория синтеза химических элементов в звездах

вываться в газе низкой плотности и низких температур, и,

была необходима. К началу 30-х годов уже было известно,

первоначально присутствуя в молодых звездах, должны

что большинство звезд состоят из водорода и гелия, но было

были распадаться при сжатии и нагревании звезды. Это

неясно, откуда берется углерод. В 50-е годы Хойл предло-

оставалось загадкой. Хотя содержание каждого из них

жил реакцию образования углерода из трех ядер гелия в

составляет менее 10–9 от количества водорода, уникальное

специфических условиях центра звезды. Возможность

происхождение этих элементов делает их «коммента-

торами» истории Вселенной. Подобные варианты схем

Эра адронов — в самом начале, продолжается 0,0001 с.

рождения элементов создавались в нескольких местах, но

Плотность d > 1014, T > 1012 K, t < 0,0001 c. При высоких

они не были привязаны к существующим во Вселенной

температурах могли существовать частицы только больших

количественным соотношениям элементов.

масс, для которых существенно и гравитационное взаимо-

Первичное вещество, из которого родилась Вселенная,

действие. Элементарные частицы разделяют на адроны и

Алфер и Герман назвали библейским словом èëåì (ãðå÷.

лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и

ylem «первичная материя»). Эта первичная субстанция

быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и

представляла собой нейтронный газ. Они считали, что в

медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

«первичном аду» родились тяжелые ядра путем присое-

Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов, велика

динения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался,

энергия гамма-квантов. Основную роль играет излучение,

пока запас свободных нейтронов не истощился. Алфер и

количества вещества и антивещества могут быть примерно

Герман не могли объяснить образование элементов тяжелее

равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция

гелия, поскольку нет стабильных изотопов с массовым

частиц и античастиц, но остается некоторое количество

числом 5 и 8, значит, нельзя получать тяжелые элементы

протонов. Из равновесия с излучением вышли последо-

последовательным добавлением нейтронов. После этого

вательно гипероны, нуклоны, Ê- è π-мезоны и их анти-

интерес к А-Б-Г-теории заметно остыл, и за десять лет

частицы.

(1953–1963) значительных исследований не было. Хойл

Эра лептонов продолжается 0,0001 < t < 10 c, ïðè ýòîì

назвал в шутку эту гипотезу «the big bang theory» — теорией

1010 K < T < 1012 K; 107 < d < 1017 êã/ì3. Основную роль играют

громкого хлопка. Это понравилось конкурентам Хойла, а в

легкие частицы, принимающие участие в реакциях между

России его перевели как «теория Большого Взрыва»

протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с

(ðèñ.23).

излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, элект-

Простой расчет опубликовали еще до открытия релик-

ронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны рас-

тового излучения Хойл и Р.Тейлор (1964 г.). Светимость

пались на электроны, электронное антинейтрино и мюонное

нашей Галактики оценивают числом 1047 Вт. Если возраст

нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция

Галактики 1010 лет, то при постоянной светимости она

электронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселенная стано-

выделила за это время 2 1054 Дж. При образовании одного

вится прозрачной для электронных нейтрино, и они пере-

ядра гелия выделяется энергия 2,5 10–19 Дж. Следовательно,

стают взаимодействовать с веществом. Согласно теории,

за время существования Галактики в ней образовалось 1066

эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени,

альфа-частиц. При массе частицы 6,67 10–27 кг это состав-

но температура их Ò до 2 К, поэтому пока их не могут

ëÿåò 7 1039 кг, а масса Галактики — 4 1041 кг. Поэтому к

обнаружить.

нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло

Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн

бы быть 7/400, или 1/57 — по массе, или 1/230 — по числу

лет. Основная доля массы-энергии Вселенной приходится

атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз,

на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом.

так как из анализа состава звездных атмосфер, косми-

В первые 5 мин. эры происходили события, во многом

ческих лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких

определившие устройство нашего мира. В конце лептонной

простых оценок понятно, как получать согласие модели с

эры происходили взаимные превращения протонов и нейт-

данными соотношениями.

ронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их

Плотность материи во Вселенной ρ практически совпа-

были примерно равными. При уменьшении температуры

дает с плотностью реликтового излучения. Она выражена

протонов стало больше, поскольку реакции с образованием

через энергию ρ = E/c2, т.е. и температуру E = σT4. С другой

протонов оказывались энергетически более выгодными и,

стороны, ρ = M/(4/3)πR3, R = (9GMt2/2)1/3 è

значит, более вероятными. Это определило скорости

ρ = (5 108/t2) êã/ì3. Отсюда ясна связь температуры T è

реакций, и к началу эры число нейтронов остановилось на

времени, прошедшего от начала расширения: T – 1010/t1/2.

15%.

Сначала (при t < 0,01 с) температура очень высока, и

Эра излучения вначале характеризуется параметрами:

вещество состоит из нейтронов и протонов в равных

3000 K < T < 1010 K; 10–18 < d < 107 êã/ì3, нейтроны захваты-

пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позит-

ваются протонами, и происходит образование ядер гелия.

ронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное

Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество

превращение n + å+ ↔ p + ν– и обратно, p + e– ↔ n + ν. Ïðè

нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а

охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за

некоторое количество распалось. В результате доля гелия

счет нейтронов, и начнется образование дейтерия, трития,

в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура

изотопа гелия Не-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения

снизилась до 3000 К, плотность уменьшилась на 5–6 поряд-

заканчиваются все ядерные превращения: водорода полу-

ков, в результате чего создались условия для образования

чается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более

первичных атомов. Излучение отделилось от вещества,

тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7,

Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая

гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к

эра — эра вещества. Излучение играет главную роль,

началу формирования звезд и галактик.

образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании

Для наглядности эту стадию делят на четыре «эры». Äëÿ

вещества Вселенной начинает играть вещество (масса

каждой из них можно выделить преобладающую форму

Вселенной).

существования материи, в соответствии с чем и даны

названия.

признает существование разных вакуумов, зависящих от

моменту в 10–45 ñ после начала расширения. Приходится что-

способа его получения. Вообще, вакуум — это состояние с

то предполагать о таком экзотическом состоянии, напри-

минимальным значением энергии, ниже которого по энер-

мер, существование большого числа магнитных монополей

гиям уже нельзя опуститься. Если даже удалить все частицы

(ðèñ.24).

и поля, остается состояние «кипения пустоты». Оказыва-

Модель инфляционной Вселенной позволяет уменьшить

ется, вакуум в некоторых случаях может обладать поло-

число таких «экзотических» частиц. Считается, что в

жительной плотностью энергии, плотностью массы и

указанные времена законы физики не менялись, состояние

отрицательным давлением (натяжением). Эти особые

описывалось квантовой гравитацией. Вещество было

свойства вакуума и приводят к увеличению космологи-

равновесно и однородно. Это был горячий газ элемен-

ческой постоянной, которая меняет ситуацию, вызывая

тарных частиц, заполняющий все пространство и расши-

гравитационное отталкивание.

ряющийся вместе с ним. Этот газ отличается от идеального.

Раздувание очень ранней Вселенной было сильным и

В 1970 г. расчет Хайвели показал, что водород был в

очень кратковременным, по теории А.Гута и П.Сейнхардта.

металлической фазе, т.е. его кристаллизация привела к

Поэтому нас будет интересовать состояние вакуума, полу-

возникновению не только упорядоченной решетки, но и

ченного при резком охлаждении Вселенной. Раздувание

металла, свойства которого похожи на свойства метал-

должно происходить по экспоненте, если силы вакуума

лического натрия. Открытие магнитного поля Юпитера

становятся превалирующими во Вселенной.

навело в то время на мысль об ядре этой планеты из

Силы «антигравитации» становятся больше грави-

металлического водорода. В таком состоянии водород мог

тационных, и это служит первотолчком к расширению ñ

раскалываться на фрагменты. Возможно, что после фазо-

ускорением. В 70-е годы советские физики Д.А.Киржниц и

вого перехода могли появиться молекулярные кристаллы.

А.Линде показали, что такие условия могут возникать во

Подобные фрагменты с молекулярно-кристаллической

Вселенной при больших давлениях и резком снижении

структурой соответствуют по массе наиболее крупным

температуры от очень больших ее значений, превышающих

спутникам Юпитера и Сатурна, а фрагменты, состоящие из

температуру эпохи Великого объединения. Эффекты êâàí-

металлического водорода, превосходят по массе Землю и

товой гравитации, по теории Линде, приводят к воз-

на 1–2 порядка менее массивны, чем планеты-гиганты.

можности вакуумноподобных состояний, когда существует

Но изменения состояния вещества и излучения были много

гравитационное отталкивание. Такие состояния, согласно

медленней, чем в исследуемые времена. Эта модель объяс-

теориям сверхплотной материи, могут возникать по не-

няет упомянутые события через 1 с после начала, позволяя

скольким причинам. Плотности эти гигантские, соответст-

предсказывать и другие явления, которые можно проверить.

вуют энергиям (почти планковским): 1019 ÃýÂ = 1032 Ê.

Изотропность реликтового излучения èëè îäíî-

Такую энергию частицы имели в момент, называемый

родность наблюдаемой Вселенной в больших масштабах с

планковским, порядка 3 10–44 с. Можно вычислить, что в

трудом объясняет модель Большого Взрыва. Из-за конеч-

этот момент плотность материи ρ =1097 êã/ì3, которая тоже

ности скорости света всегда существует горизонт —

носит название планковской. Таким образом в этот момент

максимальное расстояние, на которое сигнал успел рас-

при условиях, близких к планковским, существовало ваку-

пространиться со времени начала расширения Вселенной.

умноподобное состояние, приведшее к инфляционному

Расстояние между источниками реликтового излучения,

раздуванию. Все локальные скучивания в течение фазы

находящимися в противоположных направлениях на небес-

раздувания, или инфляции, сильно расширились, микро-

ной сфере, в 90 раз превышало расстояние до горизонта в

скопические квантовые флуктуации превратились в макро-

момент излучения.

скопические вариации плотности, из которой в будущем

Спектр начальных неоднородностей задают для

образовались структуры. Теория фазы инфляции основана

объяснения неоднородностей в малых масштабах. Это

на законах квантовой механики, но квантовые флуктуации

предположение введено для объяснения скучивания ве-

настолько велики, что приходится подгонять ряд пара-

щества в галактики, скопления галактик, сверхскопления

метров модели.

скоплений и т.д. Еще одно слабое место теории, как

Модель раздувающейся, или инфляционной, Вселен-

указывалось выше, — это плотность энергии во Вселенной.

íîé точно совпадает с описанием наблюдаемого мира,

Ïî ÎÒÎ, тип кривизны пространства определяется

начиная с 10–30 с после начала расширения. В раздувающейся

плотностью энергии: если она больше критической, опре-

Вселенной сначала была фаза инфляции (раздувания), когда

деляемой темпом расширения, то пространство замкнуто,

диаметр Вселенной очень быстро увеличился — в 1050 ðàç

если меньше — незамкнуто, если равна — пространство

больше, чем по модели Большого Взрыва. Последствия

плоское. Последний случай соответствует неустойчивому

этого раздувания приводят к выводу, что наблюдаемая нами

состоянию, которое никогда не меняется в идеальных

Вселенная — часть всей Вселенной. Модель полагает, что

условиях. Если вначале она была хоть немного отличной

Начало было 10–15 млрд лет назад из сингулярного (сверх-

от критической, то это отклонение быстро росло бы со

горячего и сверхплотного) состояния, расширение прост-

временем. По современным данным, значение отношения

ранства продолжается. Эти модели объяснили и реликтовое

плотностей энергии, или параметра плотности, как говорят

излучение, и красное смещение в спектрах далеких галак-

космологи, равно от 0,1 до 2. Чтобы попасть в этот диапазон

тик, и первоначальное содержание легких элементов.

значений параметра, вначале должно быть отличие от 1 с

Используя данные о мире элементарных частиц, космологи

точностью до 10–15 ñ. Эти приближения закладывают в

теперь пытаются подобраться почти к самому Началу, к

начальные условия стандартной модели Большого Взрыва.