На ранних стадиях расширения основную долю массы физической материи во Вселенной составляет свет и, анализируя эту стадию, мы можем на время забыть о ничтожной доли примеси к квантам света частиц обычного вещества, того вещества, которое играет основную роль в наше время, из которого состоят звезды, планеты и мы сами.
Продолжим путешествие в прошлое к сингулярности. Например, через одну секунду после начала расширения температура была десять миллиардов градусов. При меньшем времени температура еще больше. При такой огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с превращением в кванты света — фотоны.
Для рождения пары электронов и позитронов надо затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е=mc 2). Следовательно, такие процессы могут идти лишь при температуре выше десяти миллиардов градусов, когда много квантов света обладает подобными энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, возможна также и обратная реакция — столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон — позитрон. Когда температура еще выше, возможно рождение более тяжелых частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других.
При температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов существовало примерно в равных количествах множество сортов частиц (и в равных количествах их античастиц), в том числе и с большой массой. По мере расширения температура падала, и энергии частиц не хватало для рождения нар тяжелых частиц и античастиц, например, таких, как протон и антипротон. Эти частицы «вымирали».
При дальнейшем уменьшении температуры «вымирают» разные виды мезонов.
Очень важное событие происходит при времени около 0,3 секунды после начала расширения. В этот момент присутствуют кванты света, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино (для простоты мы говорим только об одном сорте нейтрино — об электронных нейтрино).
При высокой температуре нейтрино и антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно.
Однако нейтрино — частицы, очень слабо взаимодействующие с другими объектами, для них даже плотное вещество прозрачно. И вот при 0,3 секунды после начала расширения все вещество Вселенной, включая и электроны и позитроны, становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом. В дальнейшем их число не меняется, и они сохраняются вплоть до наших дней, только их энергия должна упасть из-за красного смещения при расширении точно так же, как температура квантов электромагнитного излучения.
Таким образом, в нашу эпоху во Вселенной, помимо реликтового электромагнитного излучения, должны существовать реликтовые нейтрино и антинейтрино. Энергия этих частиц должна равняться примерно энергии квантов сегодняшнего реликтового электромагнитного излучения, и концентрация их также примерно совпадает с концентрацией реликтовых квантов.
Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляло бы огромный интерес. Ведь для нейтрино Вселенная прозрачна, начиная с долей секунды после начала расширения. Обнаружив реликтовое нейтрино, мы могли бы непосредственно заглянуть в далекое прошлое Вселенной, информацию о которой несут эти частицы.
К сожалению, обнаружение нейтрино столь низких энергий, какими должны быть реликтовые нейтрино, пока практически невыполнимая задача.
В связи с этим напомним, что на наших глазах рождается нейтринная астрономия. Мы стоим на пороге систематического исследования потоков нейтрино, рождающихся при ядерных реакциях вблизи центра Солнца. Эти нейтрино позволяют непосредственно заглянуть в центр Солнца, так как вся масса Солнца для них абсолютно прозрачна.
Нейтринное «просвечивание» Солнца позволит уточнить наши знания о его внутреннем строении. Точно так же в будущем астрофизикам предстоит осуществить нейтринное «просвечивание» нашей Вселенной.
Итак, мы посмотрели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.
Первые пять минут
В известной песенке поется:
Первые пять минут в жизни нашей Вселенной... Они определили основные ее особенности, в том числе и те, которые проявились миллиарды лет спустя, в наше время.
Процессы, которые последовали за уже рассмотренными нами первыми мгновениями и которые происходили в эти минуты, полные драматизма и действия грозных ядерных сил, определили существенные черты химического состава сегодняшней Вселенной.
Благодаря этим процессам звезды обладают достаточным запасом ядерной энергии. Поэтому то, что звезды светят, также есть следствие разгула стихий Вселенной в первые пять минут расширения.
Звезды и другие небесные тела возникли из небольшой примеси обычного вещества, о которой мы на время «забыли», рассматривая в предыдущем разделе фотоны и пары частиц — античастиц.
Вернемся теперь к этой небольшой примеси обычного вещества, которое находится в первые доли секунды после начала расширения в «кипящем котле» нейтрино и антинейтрино, электронов и позитронов и световых квантов. Оказывается процессы, в которых участвует обычное вещество, чрезвычайно чувствительны к тем условиям, которые господствовали в первые секунды расширения. Эти процессы обусловили химический состав вещества, из которого много позже, уже в эпоху, близкую к нашей, формировались галактики и звезды. Поэтому химический состав звездного вещества служит чувствительнейшим индикатором физических условий в начале космологического расширения.
Рассмотрим процессы, в которых участвует обычное вещество. В каком состоянии оно находится?
Прежде всего, при температуре свыше 10 миллиардов градусов не может быть нейтральных атомов — все вещество полностью ионизовано и является высокотемпературной плазмой. Более того, при подобной температуре не могут существовать сложные атомные ядра. Сложное ядро было бы моментально разбито окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелыми частицами вещества оказываются нейтроны и протоны. Эти частицы подвергаются воздействию «кипящего котла» энергичных электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.
Взаимодействие с этими частицами заставляет нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Эти реакции устанавливают равновесие между нейтронами и протонами. Когда температуры достаточно велики, больше ста миллиардов градусов, концентрации нейтронов и протонов будут примерно равны.
В ходе расширения Вселенной с понижением температуры становится все больше протонов и меньше нейтронов. Равенство концентраций нарушается, потому что масса нейтрона больше массы протона и образование протона энергетически более выгодно, а значит, вероятность образования протона больше, чем нейтрона. Если бы реакции продолжались и после нескольких секунд с начала расширения, то через несколько десятков секунд количество нейтронов стало бы ничтожным.
Но скорость реакции резко зависит от температуры. С убыванием ее уменьшается скорость этих реакций, и они почти прекращаются после первых секунд расширения. Относительное содержание нейтронов «застывает» на значении около 15 процентов от, всех тяжелых частиц.
После этого, когда температура падает до миллиарда градусов, становится возможным образование простейших сложных ядер. Теперь энергии квантов и других частиц не хватает для того, чтобы разбивать сложное ядро. Все имеющиеся нейтроны захватываются протонами, давая сначала дейтерий, а потом реакции с участием дейтерия приводят в конце концов к ядрам атома гелия. Образуется также очень небольшое количество изотопа гелия-3, дейтерия и лития. Более сложных ядер в этих условиях практически совсем не образуется. Дело в том, что образование таких элементов в сколько-нибудь значительных количествах может происходить в результате парных столкновений ядер и частиц, уже имеющихся. Это значит, что образование более сложных ядер может начинаться при столкновении ядер гелия-4 с нейтронами, протонами или с теми же ядрами гелия-4. Но эти столкновения не ведут к образованию сложных ядер с относительной атомной массой 5 или 8, потому что таких устойчивых ядер нет!