Шрифт:
Закладка:
Спустя примерно 10 с после начала расширения Вселенной, когда температура упала до 3 • 109 К, началась аннигиляция электронов 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 фотонов (3 К) на 1 К выше температуры реликтовых нейтрино. Поскольку большая часть лептонов 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 протонов, 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 и предсказание реликтового излучения, является важным достижением горячей модели и всей фридмановской космологии.
После периода ядерных реакций ионизированный водород и гелий еще долго находятся в равновесии с излучением, и только через 200 000 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 излучения. 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 t1/2, 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 в друга, участвуя в общем расширении Вселенной. Теперь ее дальнейшая судьба связана с эволюцией вещества. Лишенное какой бы то ни было структуры первичное вещество Вселенной в потенции должно было содержать в себе весь тот богатый, многообразный мир форм, который окружает нас сегодня. В течение сотен миллионов лет в первичном веществе постепенно созревали условия для образования галактик. Как это произошло, мы рассмотрим позднее. А сейчас нам надо вернуться к самому началу, чтобы понять, как началось расширение Вселенной.
2.2.3. Первичный импульс
Не было ни дня, ни ночи, ни неба, ни земли, ни тьмы, ни света, ничего другого, за исключением Одного, непостижимого разумом, что есть Браман и Пуме (Дух) и Прадхана (Изначальная Материя).
«Тайная Доктрина»
Кто знает, воистину, и кто может сказать, когда это родилось, и когда свершился этот акт творения? Богн появились гораздо позже сотворения этого мира. Кто же тогда знает, когда появился мир?
Ригведы «Песнь Творения»
В первые мгновения после сингулярности, в те ничтожные доли секунды, которые соответствуют адронной эре, Вселенная была очень горяча, давление излучения было невообразимо велико. На первый взгляд, может показаться, что именно это чудовищное давление и является причиной расширения подобно тому, как это имеет место при взрыве какого-либо заряда, когда большое давление, возникающее в центре взрыва, разбрасывает окружающее вещество. Но на самом деле это не так. Для того чтобы произошел взрыв, важно не давление само по себе, а перепад давления. При взрыве бомбы этот перепад определяется разностью между высоким давлением горячего газа внутри быстро сгорающего взрывчатого вещества и низким давлением окружающего воздуха. Именно этот перепад и создает силу взрыва. Но ведь Вселенная однородна и изотропна, давление в каждой ее точке одинаково, перепад (или, как говорят физики, градиент) давления отсутствует. Следовательно, давление не может быть причиной Большого взрыва. Более того, согласно общей теории относительности, давление создает дополнительное поле тяготения и, следовательно, только усиливает тормозящее действие гравитационных сил. Но все это относится к обычной материи, состоящей из частиц вещества и различных физических полей. Однако на самом раннем этапе эволюции Вселенной, в эпоху близкую к планковскому времени tпл = 3 • 10-44 с (т. е. в момент, отстоящий от теоретической фридмановской сингулярности t = 0 на величину 3 • 10-44 с) материя, по-видимому, находилась в так называемом вакуумно-подобном состоянии. В свойствах этого состояния и надо искать причину Взрыва, причину расширения Вселенной. Что такое вакуумно-подобное состояние? Здесь нам придется сделать еще одно отступление и познакомиться с физическим вакуумом.
Физический вакуум определяют как низшее состояние квантовых полей, при котором энергия поля минимальна, а все квантовые числа, характеризующие эти поля (электрический заряд, импульс и др.), равны нулю. Более просто, хотя, может быть, несколько грубо, можно определить его так:
