Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
В свою очередь физики-теоретики, обнаружив огрехи в работе Гамова и его сотрудников (ошибка с постоянной Хаббла, ошибка с синтезом тяжелых ядер), надолго потеряли интерес к теории Большого взрыва.
Мы уже знаем, что только в 1964 году Дикке и его сотрудники вновь оценили температуру реликтового излучения и начали подготовку к его наблюдению. Одновременно и независимо Зельдович и его ученики А. Дорошкевич и И. Новиков тоже изучали раннюю историю Вселенной, чтобы решить, была ли она в самом начале раскаленной или холодной. В короткой статье Дорошкевича и Новикова сказано, что решить этот вопрос можно, наблюдая, существует ли реликтовое излучение, с необходимостью следующее из теории Большого взрыва. В этой статье они указывали, что наиболее подходящей антенной для такого эксперимента является большая рупорная антенна лаборатории «Белл» в Кронфорд Хилле, та самая антенна, при помощи которой Пензиас и Вильсон сделали свое открытие, ничего не зная об этой статье.
Лишь недавно сотрудник Института общей физики АН СССР Т. А. Шмаонов вспомнил, что в середине пятидесятых годов он при помощи рупорной антенны изучал радиоволны длиной в 3,2 см, приходящие из космоса. Учтя все возможные помехи, он пришел к выводу, что из космоса со всех сторон приходит радиоизлучение с температурой 4+3 К. Этот результат он опубликовал в 1957 году в журнале «Приборы и техника эксперимента», но Шмаонов не пытался установить источник этого излучения.
В те годы он не мог получить помощи теоретиков, ибо теория Большого взрыва была прочно забыта, а интерес к ней возродился лишь через 7 лет.
Позже, когда в 1964 году вновь возник интерес к Большому взрыву, никто не помнил о статье Шмаонова. Никто не сообщил Дорошкевичу и Новикову, указавшим на антенну в Кронфорд Хилле, что в Советском Союзе тоже есть подходящая антенна и что реликтовое излучение уже обнаружено. Не помнил об этом и сам Шмаонов.
Статья Шмаонова воскресла и вновь возникла из журнальных дебрей через 27 лет после ее опубликования, через 18 лет после открытия Пензиаса и Вильсона и через 5 лет после вручения им Нобелевской премии.
Так еще раз подтвердилась старая истина: открыть — не значит увидеть, а значит — понять.
Первый сценарий
Шли годы. Многие ученые уточняли теорию Большого взрыва. В начале семидесятых годов удалось с большими подробностями воссоздать (на бумаге) эволюцию Вселенной.
При этом физики были все еще вынуждены отказаться от описания «самого начала», когда, в соответствии с теорией Фридмана, Вселенная была сжата в бесконечно малый объем.
В середине семидесятых годов сценарий, описывающий эволюцию Вселенной, можно было начать только с дистанции в одну сотую секунды от начала Большого взрыва.
Основываясь на знаниях, накопленных к 1975 году, ученые нарисовали первый кадр сценария «Большой взрыв»: через 0,01 с после Большого взрыва температура Вселенной составляет 100 миллиардов градусов (1011 К). Она заполнена однородной по свойствам смесью вещества и излучения. Существенно, что свойства Вселенной в этот момент совершенно не зависят от того, что было раньше. Все последующее определяется тем, что при температуре 1011 К электрический заряд Вселенной и разность между числом частиц и античастиц в ней очень малы или равны нулю.
Вещество, образующее Вселенную в этот момент, представлено электронами и нейтрино с их античастицами, а излучение существует в форме фотонов. По оценкам, выполненным к 1975 году, каждый из этих сортов частиц был представлен почти в одинаковом количестве (точнее, на каждый фотон приходилось по 7/4 электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино). Кроме того, на каждый миллиард нейтрино или фотонов присутствует всего примерно один протон или нейтрон. Плотность этой смеси огромна. Она в 3,8 миллиарда раз превосходит плотность современной воды.
При такой огромной плотности и температуре электроны и позитроны (частицы материи) постоянно превращаются в фотоны (частицы света), а фотоны с той же интенсивностью порождают электронно-позитронные пары. Одновременно протоны превращаются в нейтроны и обратно, причем в этих превращениях участвуют электроны и нейтрино со своими античастицами.
Размер Вселенной в этот момент неизвестен, но это незнание не влияет на дальнейшую эволюцию. Ясно лишь, что, оставаясь в состоянии подвижного равновесия, Вселенная чрезвычайно быстро расширяется, увеличиваясь на 1 % за 0,02 с.
Расширяясь, Вселенная быстро остывает, но скорость ее расширения постоянно убывает, так как гравитационные силы препятствуют расширению.
Следующий характерный момент, следующий кадр сценария отстоит на 0,1 с от предыдущего. Температура успела упасть примерно втрое, до 3 1010 К. Температура Вселенной уменьшается при расширении аналогично тому как остывает расширяющийся газ. Электроны, позитроны нейтрино, антинейтрино и фотоны все еще пребывают в равновесии между собой, но вследствие падения температуры радиоактивный распад нейтронов, превращающихся в протоны, электроны и антинейтрино, уже не компенсируется обратным превращением протонов в нейтроны. В результате к этому моменту в состав ядерных частиц входит 38 % нейтронов на 62 % протонов. Скорость расширения Вселенной, убывающая как квадрат температуры, уменьшилась так, что расширение на 1 % происходит только за 0,2 с.
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
