Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство (страница 54)

Многие интересуются, почему реликтовое излучение было обнаружено только в 1965 году (дата публикации статьи Пензиаса и Вильсона и статьи Дикке, Пиблса и др.) и то случайно, если его существование было предсказано еще в 1948 году.

Причин много. Прежде всего нужно учесть, что радиофизики не знали работ Гамова и его сотрудников, а значит, не знали об их предсказании. Физики не подозревали, что такое слабое излучение можно зафиксировать и измерить.

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 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.