С понижением температуры продолжает играть роль реакция рождения электронов и позитронов из энергичных фотонов, но при пяти миллиардах градусов идет уже только реакция аннигиляции. Это приводит к тому, что излучение становится главной, основной частью Вселенной.
Реакции аннигиляции несколько подогревают наш мир, но конец взаимодействия лептонов, конец лептонной эры уже близок. Ее сменяет эра радиации, или, как ее еще называют, эра фотонной плазмы. Напомним, что число фотонов в миллиард раз превышает к этому моменту число выживших протонов.
Итак, бурная молодость Вселенной закончилась. Она была непродолжительной. Что значат несколько минут по сравнению с многими миллиардами лет?
Но именно эти несколько минут определили весь будущий облик нашего мира. Изменись хоть немного темп расширения Вселенной в эти первые сотни секунд, изменился бы и химический состав Вселенной. Например, если бы «замораживание» нейтронно-протонного состава произошло раньше, чем через одну секунду после Большого Взрыва, то бóльшая часть вещества Вселенной состояла бы не из водорода, а из гелия, и наверняка мы имели бы совершенно другой мир, чем тот, который перед нами сегодня.
Итак, когда прошли процессы аннигиляции, главную массу вещества Вселенной составляли фотоны, нейтрино и примесь высокотемпературной нейтральной плазмы, состоящей из протонов, ядер атомов гелия и электронов. Нейтрино, как мы уже говорили, с веществом не взаимодействует, а фотоны, наоборот, энергично рассеиваются на электронах, и поэтому вещество для них непрозрачно. Но с понижением температуры фотоны постепенно теряли свою энергию и в конце концов, когда «термометр» стал показывать примерно 4000 K, начались процессы рекомбинации электронов и ядер атомов гелия.
Энергии фотонов уже недостаточно, чтобы ионизировать атомы, и во Вселенной появляются сначала атомы гелия, а затем и водорода, который становится главным элементом мира.
Процесс рекомбинации начался, когда Вселенной было около 300 тысяч лет, и закончился еще через 700 тысяч лет. Этот период также очень важен для космологии. Фотоны, как мы знаем, взаимодействовали с высокотемпературной плазмой, и она была для них непрозрачной. Но, как только гелий и водород стали нейтральными, фотоны получили возможность распространяться свободно, произошло, как принято говорить в космологии, отделение вещества от излучения. С этого момента Вселенная стала прозрачной для фотонов, а они продолжали остывать по мере расширения Вселенной.
Как мы знаем по температуре реликтового излучения, «остыли» они довольно сильно, от 4000 K до 3 K, то есть температура уменьшилась за это время более чем в тысячу раз. Ну а Вселенная соответственно увеличила свои размеры примерно в тысячу раз.
Итак, мы остановились на моменте времени, когда Вселенная еще молода. Ей примерно миллион лет. Она заполнена фотонами, водородом, гелием и нейтрино. Правда, многие физики уверены в том, что есть еще целый зоопарк различных таинственных частиц, в частности гравитонов и монополей.
В принципе на этом можно было бы и закончить рассказ о детстве нашей Вселенной, о первых этапах ее эволюции, и перейти к таким интересным вопросам, как образование звезд и галактик. Но мне хотелось бы, быть может, в нарушение законов жанра научно-популярной литературы, снова коротко обсудить ранние этапы развития мира. Дело в том, что эта часть нашего рассказа, с одной стороны, была перенасыщена информацией, а с другой — эта информация носила довольно расплывчатый характер. И чтобы не сложилась ситуация, когда за деревьями не видно леса, попробуем взглянуть снова на главные моменты эволюции и на некоторые нерешенные вопросы.
Итак, самое начало рождения, планковское время 10–43 секунды. Плотность вещества 1094 г/см3. Температура 1032 K.
В этом случае более удобно (и понятно) говорить о том, что Вселенная заполнена самыми различными видами излучения, полями чудовищной плотности. Частиц нет.
Итак, эта смесь различных типов излучений начинает расширяться. Почему? Неизвестно. Это первая фаза Большого Взрыва. Попытки описать поведение этих самых-самых ранних стадий Вселенной ограничены на сегодняшний день несовершенством физики. Многие физики полагают, что вот-вот будет создана «идеальная» физическая теория, позволяющая объяснить «все», в частности, такой вопрос: имеет ли время начало, что происходит в допланковскую эпоху?