Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство (страница 57)

Ученые исходили из нового понимания принципиально: важного критерия, показывающего, какие частицы являются элементарными. Теперь они считали элементарными частицами семейство фотонов, семейство лептонов и антилептонов, семейство кварков и антикварков и семейство глюонов, удерживающих кварки внутри ядерных частиц.

Попробуем и мы, вооружившись этим современным критерием, проследить за продвижением ученых от момента, отстоящего на 0,01 с от начала, еще ближе к началу. Мы уже знаем, что, приступая к дальнейшей работе, ученые считали, что на рубеже 0,01 с при температуре порядка 10¹¹К вещество Вселенной состояло из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино, их античастиц и огромного количества фотонов.

Эта точка зрения не претерпела изменений. Но на более раннем рубеже при температуре 10²⁸ К, энергия, заключенная в этой раскаленной плазме, столь велика, что кварки не могут объединиться и образовать протоны, нейтроны или мезоны. Эти составные частицы теперь становятся виртуальными, то есть возникают на ничтожные мгновения и снова распадаются в раскаленной мешанине фотонов, лептонов, кварков и глюонов.

Еще ближе к началу Большого взрыва, при температурах вплоть до 10³² К, энергия столь велика, что становятся возможными виртуальные рождения чрезвычайно тяжелых частиц, родственных фотонам, — промежуточных бозонов, которые, как мы знаем, являются переносчиками слабого взаимодействия.

То, что было еще раньше, характеризуется много более высокими температурами и плотностями. Частицы находятся так близко одна от другой, что гравитационное взаимодействие сравнивается по силе с остальными и теперь все они представляют единое взаимодействие, единое поле.

В первоначальном сценарии предполагалось, что отсутствие антивещества во Вселенной связано с тем, что на рубеже одной сотой секунды случайно на один миллиард частиц и античастиц была одна лишняя частица. Считалось, что из этих «избыточных» частиц образовалось все, что мы видим вокруг. Остальные частицы и античастицы аннигилировали, превратившись в фотоны.

Со временем ученые пришли к выводу о том, что симметрия частиц и античастиц была нарушена уже раньше. Новые оценки гласили: в самые ранние времена на 10⁸ —10¹⁰ кварков и антикварков приходился один лишний кварк. И это сохранилось при последующей эволюции. Теория позволяет предположить и другой путь возникновения избытка частиц над античастицами. Возможно, что в начальный период, когда в раскаленной плотной массе вещества и энергии рождались и вновь распадались все известные нам частицы, количество частиц и античастиц было точно равно. Затем, в результате расширения Вселенной, температура упала настолько, что рождение тяжелых частиц и их античастиц стало невозможным. Но их исчезновение в результате попарной аннигиляции тяжелых частиц и античастиц продолжалось, не нарушая баланса между ними. На этот процесс накладывался конкурирующий процесс распада тяжелых частиц, происходящий под влиянием сил слабого взаимодействия. Теория показывает, что для некоторых тяжелых частиц такой распад идет с преимущественным рождением протонов и нейтронов. Так возникает новая возможность возникновения избытка обычного вещества: при распаде тяжелых частиц рождалось больше протонов и нейтронов, чем их античастиц. Поэтому при последующей аннигиляции протонов и нейтронов с их античастицами возник избыток протонов и нейтронов, из которых в ходе нуклеосинтеза возникли остальные химические элементы.

Не будем обсуждать доводы, служившие в семидесятые годы ученым основой для продвижения к началу эволюции Вселенной.

Одновременно с построением дополнительных первых глав сценария выявлялись трудности и противоречия, приведшие к радикальному пересмотру того, что было достигнуто.

Новые вопросы

Прежде чем идти дальше, расположим все кадры сценария, в том числе новые начальные кадры, в порядке их следования. В таком виде он получил название стандартного сценария.

Усовершенствованный стандартный сценарий, так же как его первоначальный вариант, не говорит ничего о том, как Вселенная пришла в исходное сверхгорячее и сверхплотное состояние.

Стандартный сценарий не претендует и на описание эволюции Вселенной в состоянии суперобъединения. Первое конкретное высказывание о предыстории Вселенной состоит в том, что при остывании до температуры 10²⁹ К, сильное электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены в единое поле.

Первый кадр фиксирует момент времени порядка 10^-35 с от начала расширения, когда температура падает до критического значения 10²⁸ К и происходит первое нарушение симметрии Великого объединения. С этого момента сильные взаимодействия отделяются от электрослабых, а лептоны от кварков.

Во второй переломный момент, через 10^-10 с от начала расширения, при температуре порядка 10¹⁵ К происходит следующий переход: электромагнитные взаимодействия отделяются от слабых.

Дальнейшая эволюция Вселенной происходит так, как это отображают последующие кадры сценария Большого взрыва, описанные выше.

Даже уточнения, введенные в стандартный сценарий эволюции горячей Вселенной, не позволили избавиться от целого ряда трудностей, выявившихся в ходе анализа этого сценария.

Прежде всего остался открытым вопрос о том, как Вселенная пришла в исходное сверхплотное, сверхгорячее состояние. Этот вопрос порожден самой теорией Фридмана. Ученые стремились узнать, что было до момента времени, с которого в теории Фридмана начат отсчет времени. Некоторые считают, что вопрос о том, что было до начала, не имеет физического смысла. Но такой подход кажется многим ученым не вполне удовлетворительным. Возможно, нужно привыкнуть к некорректности этого вопроса, как мы привыкли к недостижимости абсолютного нуля температуры, к принципу неопределенности в квантовой механике. Может быть, и пространство подвержено своеобразному квантованию и не может существовать размера или объема, меньше элементарного. Эти вопросы еще тревожат физиков, определяя дальнейшие задачи исследователей. Целью науки остаются поиски ответов на эти вопросы. Ответов, опирающихся на дальнейшее углубление в тайны Природы.

Остался и вопрос о первоначальной кривизне Вселенной. Мы помним, что наблюдения показывают чрезвычайную близость средней плотности материи в современной Вселенной к ее критическому значению, при котором Вселенная должна быть плоской, точнее, ее пространство должно соответствовать геометрии Евклида. Оценки показывают, что для существования современной Вселенной с ее наблюдаемым размером, равным 10²⁸ см, и лежащей в узких пределах средней плотностью материи необходимо, чтобы в начальный момент средняя плотность материи отличалась от критической средней плотности меньше чем на 10^-55 от ее величины. Эти же оценки подсказывают, что если бы в начальный момент средняя плотность материи отличалась всего на 10^-55 в меньшую сторону, то современная средняя плотность материи во Вселенной была бы столь малой, что образование звезд, планет и появление людей, задающих вопросы природе, было бы невозможно.

Если же средняя плотность материи была бы на 10^-55 больше, то Вселенная была бы замкнутой, а темп ее эволюции был бы очень быстрым, и ее расширение уже давно должно было бы перейти в сжатие, и Вселенная уже давно должна была сколлапсировать и превратиться в колоссальную черную дыру. При этом ускоренном темпе эволюции не хватило бы времени на возникновение современных звезд и на зарождение жизни.

О ее дальнейшей судьбе на основе имеющихся знаний нельзя сказать ничего определенного.

Стандартный сценарий не может объяснить причин изотропии реликтового излучения, того, что оно приходит со всех сторон одинаковым. Опыты показали, что если учтено влияние движения Земли, то реликтовое излучение одинаково во всей небесной сфере с погрешностью меньшей, чем одна десятитысячная. Трудность объяснения этого экспериментального факта состоит в том, что в период, непосредственно следующий за Большим взрывом, Вселенная, согласно стандартному сценарию, расширяется так быстро, что невозможно уловить причины ее начальной однородности. Но именно это необходимо для объяснения изотропии реликтового излучения.

Причиной, приводящей к этой трудности, является постулат о предельной роли скорости света, лежащей в основе Специальной теории относительности. Этот постулат, достоверность которого не вызывает сомнений, означает, что ни один физический процесс, ни один сигнал, несущий информацию, не может распространяться быстрее света, быстрее сигнала, переносимого светом. Но если считать источником сигнала сам Большой взрыв, то в каждый момент после него существует вполне определенное расстояние, на которое свет донесет сигнал о происшедшем Большом взрыве. Оно равно произведению скорости света на время, прошедшее от Большого взрыва. За этим расстоянием утвердилось наименование «горизонт событий» или просто «горизонт». Так как скорость света является предельной, то за горизонт событий нельзя передать никакого сигнала, из-за горизонта событий нельзя получить никакой информации. К этому нам предстоит возвратиться позднее. Сейчас же обратим внимание на то, что между точками, удаленными на расстояние, превышающее радиус горизонта событий, не может существовать никакого физического взаимодействия. Между ними невозможны причинно-следственные связи.