Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Радунская Ирина Львовна

Следующий характерный момент, а значит, и следующий кадр отстоит на 1 с от начала отсчета. Вследствие расширения температура понизилась еще втрое — до 10¹⁰ К. Теперь плотность вещества упала настолько, что нейтрино перестали взаимодействовать с остальными частицами. Из-за падения температуры электроны и позитроны превращаются в фотоны чаще, чем рождаются из них, поэтому количество электронов и позитронов начинает уменьшаться, а количество фотонов — возрастать. Распад нейтронов продолжается. Поэтому их баланс теперь: 24 % нейтронов и 76 % протонов. Еще примерно через 10 с температура успевает упасть примерно втрое (до 3 10 К), рождение электронов и позитронов из фотонов

прекращается. Но, сталкиваясь между собой, электроны и позитроны по-прежнему превращаются в фотоны. Их количество быстро уменьшается, а количество фотонов соответственно увеличивается. Теперь Вселенная состоит 6 преимущественно из фотонов с небольшой примесью частиц и античастиц, а также из продолжающих независимое расширение нейтрино. Распад нейтронов приводит к дальнейшему уменьшению их количества до 17 % при 83 % протонов. Расширение и охлаждение продолжается.

Следующий важный этап происходит чуть позже чем через 3 минуты, когда температура падает ниже 109 К, ниже одного миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре начинается нуклеосинтез: ядра дейтерия, образующиеся при столкновении протона и нейтрона, уже не распадаются при взаимодействии с другими частицами и фотонами. Более того, они могут присоединять к себе еще один протон или нейтрон и превращаться соответственно в ядра гелия-3 и в ядра трития. А они, в свою очередь, присоединяя соответственно еще один нейтрон или протон, превращаются в гелий-4. Кроме того, в результате редких соударений ядра гелия-4 с ядром дейтерия возникает небольшое количество ядер лития-6, а при соударении ядер гелия-4 с ядрами трития возникает небольшое количество ядер лития-7. Ядра более тяжелых атомов не образуются этим путем, ибо не существует стабильных ядер с пятью или восемью ядерными частицами.

К моменту, непосредственно предшествующему нуклеосинтезу (образованию ядер), распад нейтронов свел их количество примерно до 12,5 % на 87,5 % протонов. Практически все нейтроны затем оказались связанными в ядрах гелия-4. В ядре гелия-4 содержится по два нейтрона и два протона, следовательно, ядра гелия составляют по массе примерно 25 % при 75 % свободных протонов.

Когда процессы нуклеосинтеза закончились и температура Вселенной упала до 3 108 К, плотность Вселенной упала до 10 % от современной плотности воды. Вселенная состоит на 31 % из нейтрино и антинейтрино и на 69 % из фотонов. Ядра гелия, свободные протоны и электроны составляют ничтожную часть массы Вселенной, причем на каждый протон (свободный или входящий в ядра гелия) приходится один электрон…

На этом сценарий обрывается, ибо в дальнейшем состав Вселенной не будет заметно изменяться. Она будет продолжать расширяться, причем скорость расширения и температура постепенно уменьшаются.

Но в ранней Вселенной был еще один важный момент. Он произошел примерно через пятьсот — семьсот тысяч лет после Большого взрыва. Температура Вселенной к этому времени упала до 4000 К, и электроны смогли прочно соединиться с ядрами гелия и с протонами, образуя атомы гелия и водорода. Ни соударения между атомами, ни взаимодействия с фотонами при этой температуре не способны разрушить такие атомы. Но так как число протонов и электронов было изначально одинаково, то после образования атомов во Вселенной не стало свободных электронов. Вследствие исчезновения свободных электронов Вселенная стала прозрачной для фотонов так же, как при температуре 1010 К, через одну секунду после начала расширения она стала прозрачной для нейтрино. Теперь фотоны продолжают расширяться и остывать вместе с расширением Вселенной, не взаимодействуя с веществом.

Прошло еще пятнадцать

миллиардов лет, и вот читатель взял эту книгу и узнал, что в настоящее время в природе должно существовать примерно 25 % гелия и 75 % водорода, а Вселенная должна быть наполнена фотонами —4 реликтовым электромагнитным излучением с температурой около 3 К.

Оба эти «предсказания» удивительно точно совпадают с экспериментом.

Казалось, на этом можно поставить точку.

Но наука не может остановиться.

От пустоты к вакууму

К тому моменту, когда удалось составить описанный выше сценарий развития Вселенной, ученые добыли новые знания как в ходе чрезвычайно сложных экспериментов с элементарными частицами, так и в попытках понять и описать математически результаты этих экспериментов.

Возникшие на этой основе теории позволили приблизиться к пониманию эволюции Вселенной на еще более ранних стадиях.

При этом существенную роль сыграло изменение взгляда ученых на вакуум. Это может показаться странным тем, кто привык считать понятия «вакуум» и «пустота» синонимами.

Понятие «пустота» тревожило людей издревле. Аристотель пришел к мнению о том, что пустота невозможна. Он сформулировал это кратко и четко: «Природа не терпит пустоты».

Лишь в 1644 году Э. Торричелли проделал свой знаменитый опыт: он запаял один конец длинной стеклянной трубки, повернул трубку открытым концом вверх и до краев заполнил ее ртутью; затем он закрыл этот конец трубки пальцем и опустил его в чашку со ртутью. Убрал палец — столб ртути опустился. Его высота равнялась 750 мм. В трубке над ртутью было пусто. Торричелли считал, что там ничего нет, даже газа, что там вакуум.

В конце прошлого века И. Стефан, его ученик Больцман и Планк, передавая друг другу эстафету исследования свойств электромагнитного поля, пришли к заключению, что вывод Торричелли требует уточнения. Если в торричеллиевой пустоте нет и следов газа, это не значит, что там нет совершенно ничего. Там обязательно существуют хаотические электромагнитные волны, находящиеся в тепловом равновесии со стенками сосуда. Вскоре (в 1905 году) Эйнштейн установил, что электромагнитное поле в некоторых случаях ведет себя как совокупность особых частиц — квантов электромагнитного поля. Эти кванты теперь называют фотонами.

Так было установлено, что вакуум не пуст.

В вакууме всегда присутствуют фотоны, постоянно испускаемые стенками сосуда, ограничивающего вакуум, и поглощаемые этими стенками. В космосе, где нет стенок, фотоны порождаются всеми материальными частицами, от атомов до звезд. Этот вывод, следующий из классической электродинамики, подтвержден опытом.

Квантовая физика привела к дальнейшему уточнению понятия «вакуум». Из фундаментальных законов квантовой физики следует, что даже при нулевой температуре в каждой точке вакуума постоянно попарно рождаются и тут же исчезают, сливаясь между собой частицы и античастицы любого типа. Физики называют эти пары частиц и античастиц виртуальными. (Название, происходящее от латинского virtualis — возможный, могущий появиться.)

Виртуальные частицы не выдумка теоретика, они вступают во взаимодействие с реальными частицами, и это взаимодействие изменяет характеристики реальных частиц. Современные измерительные приборы позволяют зафиксировать эти изменения. Результат таких изменений был с огромной точностью зафиксирован в спектре атомов водорода.

Достаточно сильное поле, например электростатическое, или переменное электромагнитное поле может вызвать превращение виртуальных частиц вакуума в пары реальных частиц и античастиц. Такое рождение электрон-позитронных пар и пар других частиц и античастиц наблюдается во многих опытах.