В соответствии с типами взаимодействий, все элементарные частицы делятся на два больших класса: сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, — лептоны. К последним относятся: электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино (а также соответствующие античастицы). Что касается адронов, то в последние десятилетия было установлено, что они, строго говоря, не являются элементарными частицами: адроны состоят из фундаментальных частиц — кварков. В обычных условиях (т. е. в тех условиях, которые имеют место во Вселенной в современную эпоху) кварки в свободном виде не встречаются, они существуют только в составе адронов. Силы, которые удерживают кварки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два типа частиц: мезоны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион — из трех кварков. К барионам относятся протоны, нейтроны и нестабильные частицы — гипероны. Полное число имеющихся в системе барионов минус число антибарионов определяет барионный заряд. Если число барионов равно числу антибарионов, то барионный заряд равен нулю.
Физические взаимодействия осуществляются с помощью особых частиц-переносчиков. Переносчиками гравитационного взаимодействия являются кванты гравитационного поля — гравитоны, переносчиками электромагнитного взаимодействия — фотоны, а переносчиками сильного взаимодействия — глюоны. В отличие от частиц материи — ферминов, к которым относятся и адроны, и лептоны, частицы-переносчики называются бозонами. К ним относятся фотоны, гравитоны, глюоны и другие виды бозонов. Так, переносчиками слабого взаимодействия являются три вида частиц: W+, W- и Z0-бoзoны. Эти частицы обладают большой массой и для их образования надо затратить очень большую энергию. При температуре Т > 1015 К, когда энергия частиц превышает 100 ГэВ, W+, W- и Z0-бoзoны рождаются столь же легко, как и γ-кванты. При этих условиях исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями, и они объединяются в единое электрослабое взаимодействие. При еще более высокой температуре Т = 1027 К, когда энергия частиц составляет 1014 ГэВ, исчезает различие между сильным и электрослабым взаимодействием, и они объединяются в единое универсальное взаимодействие (взаимодействие великого объединения). Переносчиками этого взаимодействия являются сверхтяжелые частицы X и Y-бозоны. С их помощью кварки могут превращаться в лептоны и антикварки, т. е. стирается грань между основными типами элементарных частиц.
Теперь мы можем вернуться к ранней Вселенной в момент, когда от начала расширения прошло 10-34 секунды. При t < 10-34 с температура Т > 1027 К, т. е. больше температуры великого объединения. При такой температуре адроны распадаются на кварки, значит, сильно взаимодействующие частицы существуют только в виде свободных кварков. Вселенная состоит из кварков, лептонов и фотонов. Все частицы находятся в равновесии, кварки свободно переходят в лептоны и наоборот, частицы переходят в античастицы. Число частиц равно числу античастиц, в том числе число кварков равно числу антикварков. Полный электрический заряд и барионный заряд равны нулю. Эта чудовищно горячая динамичная смесь взаимопревращающихся частиц и есть та Первичная «Огненная» Субстанция Физического Мира, из которой, в конце концов, возникает известная нам Вселенная со всем многообразием существующих в ней форм материи. Рассмотрим главные этапы эволюции горячей Вселенной.
При t > 10-34 с температура падает ниже 1027 К. При такой температуре тяжелые X-бозоны не образуются, а существующие начинают распадаться. Теперь уже кварки не могут превращаться в лептоны, происходит разделение великого взаимодействия на сильное и электрослабое. Одновременно, благодаря несимметрии в свойствах частиц и античастиц, при распаде Х-бозонов нарушается равновесие между кварками и антикварками. Возникает избыточный барионный заряд, равный 10~9 на одну частицу. Это значит, что число барионов на одну миллиардную часть превосходит число антибарионов. Но именно эта ничтожная разница в числе барионов и антибарионов приводит впоследствии к возникновению мира из вещества. Как это происходит?
Прежде всего при температуре порядка 3 • 1012 К кварки объединяются в ядерные частицы — образуются протоны и нейтроны. При этом барионный заряд сохраняется, т. е. число нуклонов[139] на одну миллиардную превышает число антинуклонов. Так как полный электрический заряд остается равным нулю, то имеется также небольшой избыток электронов над позитронами порядка 10-9, отрицательный электрический заряд которых компенсирует положительный заряд избыточных протонов. Этот избыток электронов возник одновременно с возникновением избыточного барионного заряда. Почти сразу же после образования ядерных частиц при Т ≈ 1012 К (t = 10-4 с) происходит аннигиляция нуклонов и антинуклонов. При этом остаются только избыточные нуклоны, для которых не хватило соответствующих античастиц. Эти избыточные нуклоны и образуют основу современного вещества Вселенной. Если бы не было этого небольшого числа избыточных нуклонов, мир бы сейчас был практически «пустым» (т. е. лишенным вещества). Так как основная масса нуклонов аннигилировала, образовав кванты электромагнитного излучения, то отношение числа оставшихся частиц к фотонам nфот/nнукл = 10-9. Это как раз та величина, которая наблюдается в современной Вселенной, что является свидетельством правильности нарисованной картины.
В течение всего периода до аннигиляции нуклонов основная масса Вселенной была сосредоточена в адронах. Поэтому этот период получил название адронная эра. Она длилась примерно от 3 • 10-35 с до 10-4 с. Аннигиляция нуклонов знаменует конец адронной эры. Поскольку почти все адроны аннигилировали, оставив лишь ничтожный избыток ~ 10-9, то основная масса Вселенной после аннигиляции сосредоточилась уже не в адронах, а в лептонах. Соответствующий период в истории Вселенной получил название лептонная эра. Она длилась от 10-4 до 100 секунд. Вселенная в этот период состоит из лептонов (т. е. электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино), а также из фотонов и остаточного числа нуклонов, образовавшихся после аннигиляции. В начале лептонной эры, когда температура была еще очень высока, все частицы находились в термодинамическом равновесии, тесно взаимодействуя друг с другом. В середине лептонной эры, при t = 0,2 с, когда температура упала до 2 • 1010 К, происходит важное событие в жизни Вселенной: нейтрино перестают взаимодействовать с электронно-позитронной плазмой, так как их энергии уже недостаточно для образования пары электрон-позитрон. Начиная с этого момента, они отделяются от вещества и независимо от него (не взаимодействуя с веществом) участвуют в общем расширении Вселенной. Эти реликтовые нейтрино должны существовать и в настоящее время, их температура (упавшая из-за расширения Вселенной) в современную эпоху составляет 2 К, а концентрация равна 450 частиц в куб. см (всех видов нейтрино). Если бы нам удалось зарегистрировать эти нейтрино, мы могли бы «заглянуть» в эпоху, отстоящую от сингулярности всего на 0,2 с (!), т. е. значительно ближе, чем с помощью реликтовых фотонов. К сожалению, обнаружение реликтовых нейтрино находится пока за пределами экспериментальных возможностей.
Спустя примерно 10 с после начала расширения Вселенной, когда температура упала до 3 • 109 К, началась аннигиляция электронов и позитронов. Этот процесс закончился приблизительно через 3 минуты (при Т ≈ 109 К). В результате электроны и позитроны превратились в кванты электромагнитного излучения, остался лишь небольшой избыток электронов, отрицательный электрический заряд которых в точности компенсирует положительный электрический заряд избыточных протонов. Выделившаяся при аннигиляции энергия пошла на увеличение температуры фотонного газа. Температура нейтринного газа осталась без изменения, так как нейтрино не взаимодействуют ни с веществом, ни с излучением. Благодаря этому современная температура реликтовых фотонов (3 К) на 1 К выше температуры реликтовых нейтрино. Поскольку большая часть лептонов проаннигилировала, основная масса Вселенной сосредоточилась теперь в фотонах. Наступила эра излучения, о которой мы упоминали выше. Эта эра длилась несколько тысяч лет.
В самом начале эры излучения, приблизительно через 5 минут после начала расширения, когда температура упала ниже 109 К, начался процесс нуклеосинтеза — образование ядер гелия в результате цепочки ядерных реакций (с участием дейтерия). Этому предшествовал процесс распада нейтронов — превращения их в протоны. К моменту начала ядерных реакций (длившихся всего несколько секунд) доля нейтронов ненамного превышала 10 %, все они в результате реакций оказались связаны в ядра гелия. Таким образом, масса нуклонов (протонов и нейтронов), сосредоточенных в ядрах 4Не, составила 25 % от общей массы нуклонов. Оставшиеся 75 % пришлись на долю протонов, которые в конце эры излучения, после рекомбинации, вошли в состав атомов водорода. Следовательно, первичное вещество Вселенной должно было на 75 % состоять из водорода и на 25 % из гелия. Это соответствует наблюдаемому химическому составу. Правда, в современную эпоху гелия несколько больше — около 30 %, но ведь часть гелия образуется в звездах. Объяснение наблюдаемого обилия водорода и гелия, как и предсказание реликтового излучения, является важным достижением горячей модели и всей фридмановской космологии.
