Лев Мухин - Мир астрономии

Можно, конечно, пойти дальше и пытаться смотреть, что будет с веществом при более высоких энергиях. Теоретики выпустили огромное количество работ, посвященных этой теме. Но, во-первых, твердо установившейся теории здесь нет, во-вторых, когда мы приближаемся к планковскому порогу, мы волей-неволей должны рассматривать Вселенную, радиус кривизны которой меньше размеров элементарных частиц, с плотностью вещества, достигающей 10 94 г/см 3. Это, вообще говоря, terra incognita для современной физики, и вряд ли кто-либо возьмется сказать, что представляет собой сверхплотная Вселенная. Можно надеяться, однако, лишь на то, что в этих экстремальных условиях применимы понятия плотности энергии и давления. Мы чуть позднее в самых общих чертах поговорим об очень-очень ранней Вселенной, а пока попытаемся описать ее начиная с времен от 10 –10секунды после Большого Взрыва.

Здесь при температурах 10 15 K и плотностях, больших, чем плотность атомных ядер, основную роль играют адроны, лептоны и фотоны. Их энергия очень велика, а поскольку их много, они дают основной вклад в плотность энергии и определяют динамику расширения Вселенной.

В самой Вселенной в это время непрерывно идут реакции рождения пар частиц и античастиц, например, электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов: γ + γ e + + e –; происходят также реакции между электронами и позитронами с образованием нейтрино и антинейтрино: e + + e – ν + ν –.

Для нас очень важно сейчас не забыть о кварках. Ведь именно кварки по мере остывания Вселенной образуют нейтроны и протоны; кроме этого, они участвуют в реакциях образования мезонов. Период свободной жизни для кварков кончается при энергиях 1 ГЭВ: они попадают в адронный «мешок» и навсегда становятся «невидимками», давая жизнь новым фундаментальным частицам.

Плотность упала до значений 10 14 г/см 3, прошла одна десятитысячная доля секунды после начала Большого Взрыва. Именно в эти моменты времени начинается так называемая адронная стадия эволюции Вселенной. Она продолжается недолго, чуть меньше секунды, но за этот короткий промежуток времени происходит очень много важных событий.

Температура еще достаточно высока, и в условиях обилия высокоэнергичных лептонов непрерывно идут реакции взаимных превращений нейтронов и протонов:

p + e – n + ν

p + ν – n + e +

При температуре больше 10 11 K концентрации протонов и нейтронов примерно одинаковы. Но с понижением температуры концентрация протонов возрастает. Действительно, ведь масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому в указанных выше реакциях образование протона при определенной температуре становится более выгодным энергетически. С дальнейшим понижением температуры эти реакции вообще прекращаются, и мы уже имеем дело с «замороженными» концентрациями протонов и нейтронов во Вселенной, когда С нейтр./С прот. ≈ 0,15.

Здесь возникает естественный вопрос. Ведь во время адронной эры во Вселенной должны присутствовать как частицы, так и античастицы. А речь шла сейчас лишь о протонах. Где же антипротоны? Почему наша Вселенная несимметрична в зарядовом отношении? Почему в ней есть вещество и почти нет антивещества?

Вопрос этот очень сложный и, нужно сказать честно, не имеющий на сегодняшний день окончательного решения. Более того, некоторые ученые, например лауреат Нобелевской премии по физике X. Альвен, считают, что антивещество представлено во Вселенной на паритетных началах с обычным веществом. Большинство ученых находит, что X. Альвен не прав. Но в науке голосование не принято, и на поставленные вопросы надо пытаться давать исчерпывающий ответ.

Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате аннигиляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутствие звезд и планет из антивещества.

С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая другие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, поскольку антивещество излучает фотоны так же, как и обычная материя. Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немногочисленных сторонников.

Тем не менее гипотеза зарядовой асимметрии Вселенной имеет веские экспериментальные подтверждения. Дело в том, что обычное вещество во Вселенной присутствует заведомо. Если бы какие-то галактики состояли из антивещества, то в космосе должны были интенсивно проходить процессы аннигиляции электронов и позитронов, а также протонов и антипротонов. В результате в спектрах гамма-излучения этих галактик должен был бы наблюдаться избыток квантов с энергией ~ 0,5 МЭВ. Но подобный факт не удалось отметить в наблюдениях.

Вещество Вселенной все-таки состоит, по всей видимости, из протонов. Почему? Здесь мы должны вернуться снова в область высоких температур и объединения взаимодействий, когда могли идти экзотические реакции рождения кварков и антикварков.

Так вот, работами последних лет достаточно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рождаться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три миллиарда антикварков должно родиться 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и антикварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка «упадут» со временем в адронный «мешок» и образуют протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон приходится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.

Таким образом, вопрос о том, почему наша Вселенная состоит из вещества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.

Мы остановились на моменте времени в развитии Вселенной, когда установилось определенное отношение между нейтронами и протонами. Следующий важный процесс в расширяющейся горячей Вселенной — начало синтеза элементов.

До сих пор Вселенная представляла собой горячий котел, заполненный лишь частицами. С понижением температуры появляются условия для образования простейших атомных ядер. Прошло чуть больше ста секунд, температура упала до миллиарда градусов. Почему эта температура критична для нас? Собственно, не для нас, конечно, а для физики ранней Вселенной. Да просто дело в том, что энергия фотонов и лептонов уже недостаточна при этой температуре, чтобы развалить при ударе ядро атома.