 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
183
аннигилировала в первые секунды Вселенной, а вместе с ним исчезло и все космическое
антивещество. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) Исчезнув, оно
превратилось в энергию: в процессе аннигиляции на каждый уцелевший электрон (или протон)
возникало около миллиарда гамма-квантов. В результате расширения Вселенной это гамма-излучение
«остыло», образовав к настоящему времени так называемое фоновое тепловое излучение, которое
составляет значительную часть энергии Вселенной.
Спустя 10
-12
с после Большого Взрыва температура была столь высока (Т > 10
15
К), что тепловой
энергии оказалось достаточно для рождения всех известных частиц и античастиц, причем такой
плотности, что установилось равновесие, при котором энергия равномерно распределялась между
всеми видами частиц. На этой стадии характер вещества во Вселенной резко отличался от всего, что
мы можем непосредственно наблюдать: вещество представляло собой «кварковую жидкость»; адроны
не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты; не
различались слабое и электромагнитное взаимодействия; такие частицы, как электроны, мюоны и
нейтрино, не существовали в обычном виде; кварки, лептоны, бозоны не обладают массой покоя, как и
фотон; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Z-частиц.
Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение
температуры ниже 10
15
К вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и
образование льда. В этот момент нарушается калибровочная симметрия, а электромагнитное
взаимодействие отделяется от слабого. W и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон
остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц —
электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы.
Следующий фазовый переход происходит через одну миллисекунду после Большого Взрыва при Т
= 10
13
К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и
образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы). С
этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия, который и начинается через несколько минут
после Большого Взрыва.
При Т
? 2 • 10
10
К и t
? 0,2
с
электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами.
Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается
практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной, сохранившись до наших дней,
только их энергия уменьшается из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых
нейтрино должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением
астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.
11.7.4. От первых минут Вселенной до образования звезд и галактик
Методом математического моделирования астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных
процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной *.
* См.: Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.
Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10
10
К. При
такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было
заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и
фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии еще минуты
температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором
возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (буквально несколько минут) промежуток
времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.
В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер
гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного
легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия
часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер
гелия и на 90 % из ядер водорода (протонов). Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию
названных элементов в современной Вселенной.
Великое счастье для нас, что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами.
Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без
которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не