Игорь Новиков - Черные дыры и вселенная

Проходят минуты, температура продолжает падать с расширением. Закончилась аннигиляция электронов и позитронов, затухли ядерные реакции в веществе.

Это были последние активные процессы, происходившие в горячей ранней Вселенной. В ней стало слишком холодно (холоднее миллиарда градусов!), и бурные процессы стали невозможны.

Закончился буйный фейерверк жизни молодой Вселенной, и наступил длительный период спокойствия. Он продолжался около 300 тысяч лет.

Напомним, что в этот период расширяющаяся плазма все же очень горяча и полностью ионизована. Она непрозрачна для реликтового излучения, которое по массе превосходит непрозрачную плазму. В этой смеси плазмы и света имеются небольшие колебания, которые можно назвать «фотонным звуком», так как упругой силой, их вызывающей, является давление света.

Вот и все интересное, что было в эту «тихую» эпоху.

Так продолжалось до того времени, когда температура упала примерно до четырех тысяч градусов. Эта температура уже достаточно низка, и ионизованная плазма начинает превращаться в нейтральный газ. Казалось бы, событие это не столь уж важное, но оно явилось поворотным в дальнейшей судьбе Вселенной.

До этого момента ионизованный газ был совершенно непрозрачен для реликтового излучения. После превращения газа (а это в основном водород) в нейтральный, он практически совершенно прозрачен для подавляющей части фотонов реликтового излучения. С этого момента реликтовое излучение отделилось от вещества. Вся Вселенная для него прозрачна. Фотоны распространяются сквозь вещество, которое становилось все более разреженным из-за расширения и все более холодным, практически не поглощаясь.

Ну и почему же это так важно? — может спросить читатель. Дело в том, что только теперь из этого остывшего нейтрального газа могут формироваться небесные тела.

За эрой фотонной плазмы наступает эра формирования структуры Вселенной.

Можно считать, что началом современной эпохи в истории Вселенной был процесс образования отдельных гигантских по размерам комков в первоначальном, почти однородном веществе, комков, из которых впоследствии возникли галактики и их скопления. Образование комков происходило под действием сил гравитации, и весь процесс получил название «гравитационной неустойчивости».

Еще у И. Ньютона были высказывания о том, что однородное вещество должно собраться в комок или в отдельные комки под влиянием взаимного тяготения частичек. И. Ньютон писал: «Если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно рассеяно по всему небу и каждая частица обладала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому было рассеяно это вещество, было бы тем не менее конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря своему тяготению стремилось бы ко всему веществу, находящемуся внутри пространства, и как следствие упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Так могли образоваться Солнце и неподвижные звезды». Значит, однородное вещество стремится под действием тяготения распасться на отдельные комки. Это «стремление» имело место с самого начала расширения однородного вещества Вселенной. Но оно почему-то не распалось! Действительно, если бы такой процесс произошел в самом начале расширения Вселенной, то ничего похожего на галактики и звезды при этом не возникло бы. Ведь вещество было чудовищно плотным. Возникшие в нем комки должны были быть еще плотнее. Такого во Вселенной мы не наблюдаем. Во всяком случае, не наблюдаем в больших количествах. Галактики обладают скромной средней плотностью. Значит, они возникли в эпоху сравнительно близкую к нам, когда расширяющееся вещество Вселенной стало достаточно разреженным. Только тогда проявилась гравитационная неустойчивость. До этого что-то мешало «сработать» этому механизму. Это «что-то» было давлением реликтового излучения.

Давление реликтовых фотонов огромно. Если где-то случайно возникал сгусток плазмы вместе с фотонами реликтового излучения, то силы тяготения, конечно, стремились усилить этот сгусток, в полном соответствии с описанием И. Ньютона. Но этим силам противостояли мощные силы давления фотонов, для которых плазма была непрозрачной. Они распихивали сгусток, и гравитационная неустойчивость не могла проявиться.

Только после превращения горячей плазмы в нейтральный газ стало возможным проявление гравитационной неустойчивости. Газ теперь прозрачен для реликтового излучения. Возникший комок газа в ходе сжатия силами тяготения не испытывает сопротивления давления фотонов, они свободно выходят из зарождающегося сгустка. Только силы газового давления могут оказывать сопротивление. Но это давление гораздо слабее фотонного, и если сгусток достаточно велик по размеру, то силы газового давления не могут побороть тяготение. Проявляется гравитационная неустойчивость.

Прежде чем познакомиться с тем, как конкретно проявляется гравитационная неустойчивость, нам придется обратиться к еще одной загадке, вставшей на пути исследователей.

Глава 4. Нейтринная Вселенная

Нейтрино! Эта частица уже не раз преподносила сюрпризы физикам, и от нее ждали новых. Но того, что случилось в 1980 году, не ожидал никто… Картина, представшая перед мысленным взором ученых, казалась более чем фантастической.

Однако попытаемся изложить все по порядку.

Первым сюрпризом было само изобретение этой частицы швейцарским физиком В. Паули в 1930 году. Именно такое слово — «изобретение» употребляет один из создателей современной нейтринной физики, академик Б. Понтекорво, описывая теоретическое предсказание существования нейтрино.

Вспоминая то время, он пишет: «Трудно найти ситуацию, где бы слово „интуиция“ так соответствовало характеру научного достижения, как в случае предсказания нейтрино В. Паули.

Во-первых, 50 лет назад были известны только две „элементарные“ частицы — электрон и протон, и даже идея, что для лучшего понимания природы необходимо ввести новую частицу, была сама по себе революционной…

Во-вторых, предлагавшаяся частица, нейтрино, должна была обладать совершенно экзотическими свойствами, и в особенности — огромной проникающей способностью».

В. Паули «изобрел» эту удивительную частицу для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии, выделяемая при радиоактивном распаде ядер с испусканием электронов. Такой распад называют бета-распадом.

Дело в том, что когда определяют энергию продуктов бета-распада радиоактивных элементов, например трития в гелий, то измерения показывают, что после распада суммарная энергия всех частиц, которые непосредственно регистрируются приборами, разная в разных актах распада трития. Происходит явное нарушение закона сохранения энергии, часть энергии все время куда-то исчезает.

Даже такие корифеи физики, как, например, Н. Бор, стали говорить, что в этих процессах действительно не сохраняется энергия. И вот тут-то В. Паули совершил свое «изобретение». Он предположил, что никакого нарушения закона сохранения энергии не происходит, а просто в процессе распада, кроме регистрируемых приборами частиц, рождаются частицы еще одного сорта. Эти гипотетические частицы очень слабо взаимодействуют с обычным веществом и поэтому свободно улетают из лаборатории, не регистрируясь физическими приборами. Улетевшие частицы и уносят с собой недостающую энергию, создавая видимость ее уничтожения. Таинственные частицы получили название нейтрино.

С тех пор прошло более полувека, и, как уже говорилось, нейтрино много раз озадачивало физиков. Так, оказалось, что нейтрино не просто слабо взаимодействует с веществом, как это первоначально предположил В. Паули, а фантастически слабо. Оно совершенно свободно проходит, скажем, сквозь Землю, и не только сквозь Землю, но и сквозь Солнце, звезды, сквозь любые тела Вселенной как сквозь пустоту, как свет сквозь оконное стекло.

Именно поэтому зарегистрировать такие частицы чрезвычайно трудно. Только в 1956 году они были непосредственно обнаружены по ядерным превращениям, ими вызываемым.

Дальнейшие исследования показали, что нейтрино (вместе с его античастицей — антинейтрино. Мы не делаем в нашем рассказе разницы между ними, называя их единым термином нейтрино) бывают, по крайней мере, трех сортов — электронные, мюонные и тау-нейтрино. Каждый сорт участвует только в определенных, специфических для него реакциях.