Рождение частиц по современной модели развития Вселенной

Однородное микроволновое излучение, оставшееся от ранних стадий развития Вселенной, пронизывает пространство, что подтверждают и точные исследования, проведенные со спутников. Для понимания явлений космологии используют идеи, опирающиеся на физику элементарных частиц, которая, как и ядерная физика, сыграла большую роль при создании теорий и расширяющейся, и стационарной Вселенной. Особенно ценным для них оказался вклад Эйнштейна и Планка, которые в начале века сформулировали физику абсолютно черного излучения: поскольку на ранней стадии расширения должно быть равновесие между энергией и веществом, то энергия, выделившаяся при взрыве, должна иметь спектр черного излучения.

Теория синтеза химических элементов в звездах была необходима. К началу 30-х гг. знали, что большинство звезд состоят из водорода и гелия, но было неясно, откуда берется углерод. В 50-е гг. Хойл предложил реакцию образования углерода из трех ядер гелия в специфических условиях центра звезды. Возможность такой реакции подтвердил американский физик У. Фаулер на ускорителе высоких энергий, а Хойл и Солпитер подвели под эти эксперименты теорию. К 1957 г. Фаулер, Хойл, Маргарет и Джеффри

Бербидж разработали теорию синтеза большинства химических элементов в звездных недрах из водорода и гелия. В звездной топке легкие элементы «сплавились» в тяжелые ядра, которые рассеялись в пространстве из-за взрыва Сверхновых или смерти красных гигантов (каким через 5 млрд лет станет Солнце). Затем цикл повторится, образуя звезды нового поколения.

Однако данная теория не могла объяснить существование трех легких элементов — лития, бериллия и бора. Из-за своей неустойчивой природы эти элементы должны образовываться в газе с низкой плотностью и низкими температурами и, первоначально присутствуя в молодых звездах, должны были распадаться при сжатии и нагревании звезды. Это оставалось загадкой. Хотя содержание каждого из них составляет менее 10^-9 от количества водорода, уникальное происхождение этих элементов делает их «комментаторами» истории Вселенной. Подобные варианты схем рождения элементов создавались в нескольких местах, но не были привязаны к существующим во Вселенной количественным соотношениям элементов.

Первичное вещество, из которого родилась Вселенная, Алфер и Герман назвали библейским словом «илем» (от греч. ylem — первичная материя). Эта первичная субстанция представляла собой нейтронный газ. Они считали, что в «первичном аду» родились тяжелые ядра путем присоединения свободных нейтронов, и этот процесс продолжался, пока их запас не истощился. Алфер и Герман не могли объяснить образование элементов тяжелее гелия, поскольку нет стабильных изотопов с массовыми числами 5 и 8, значит, нельзя получать тяжелые элементы последовательным добавлением нейтронов. После этого интерес к А-Б-Г-теории заметно остыл, и за десять лет (1953—1963) значительных исследований не было. Хойл в шутку назвал эту гипотезу «the big bang theory» — теорией громкого хлопка. Это понравилось конкурентам Хойла, а в России его перевели как «теория Большого Взрыва».

Гипотезу холодной Вселенной начал развивать в 1962 г. Зельдович. На его взгляд, из теории горячей Вселенной следовали слишком большие плотность и температура излучения, не подтверждаемые данными радиоастрономии. Перебрав все возможные варианты, Зельдович остановился на гипотезе, согласно которой исходным веществом был холодный протон-электронный газ с примесью нейтрино, причем на каждый протон приходилось по одному электрону и одному нейтрино. Эту гипотезу Зельдович разрабатывал вплоть до обнаружения реликтового излучения.

Простой расчет опубликовали еще до этого открытия Хойл и Р.Тейлор (1964). Светимость нашей Галактики оценивают числом 10⁵² Дж/с. Если возраст Галактики 10¹⁰ лет, то при постоянной светимости она выделила за это время 2 • 10⁶¹ Дж. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5 • 10^-5 Дж. Значит, за время существования Галактики в ней образовалось 10⁶⁶ а-частиц. При массе частицы 6,67 • 10^{-27 кг это составляет 7 • 1039 кг, а масса}

Галактики — 4 • 10⁴¹ кг. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57 — по массе, или 1/230 — по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как добиться согласия модели с данными соотношениями.

Плотность материи р во Вселенной практически совпадает с плотностью реликтового излучения. Она выражена через энергию , где. С другой стороны, [R = . Следовательно, . Отсюда ясна связь температуры Т и времени t, прошедшего от начала расширения: .

Сначала (при t 0,01 с) температура очень высока, и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение и обратно: . При

охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов и начнется образование дейтерия, трития, изотопов гелия Не-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По массе водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту стадию делят на четыре эры. Для каждой из них можно выделить преобладающую форму существования материи, в соответствии с чем и даны названия.

Эра адронов находится в самом начале, продолжается 0,0001 с. Плотность с. При высоких температурах

могли существовать только частицы, обладающие большой массой, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия. Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов, велика энергия гамма-квантов. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последовательно гипероны, нуклоны, К- и -мезоны и их античастицы.

Эра лептонов продолжается , при этом

. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли -мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мю-оны распались на электроны, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Через 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электрон-

ных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн лет. Основная доля массы — энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце леп-тонной эры начались взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов составило 15 %.

Эра излученияв начале характеризуется параметрами: 3000 К < < Т< 10¹⁰ К; 10~¹⁸ < < 10⁷ кг/м³, нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5 —6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для него, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает играть вещество (масса Вселенной).

В звездную эру, наступившую при t 1 млн лет, Т 3000 К и плотности d 10^-18 кг/м³, начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Грандиозная картина процессов, схематично описанная здесь, разрабатывалась детально, особенную проработку получили самые первые доли секунды. Возможности исследования деталей процессов резко возросли с появлением быстродействующих ЭВМ с большими объемами памяти. Безусловно, эта картина повлияла на наше мироощущение и продолжает уточняться. Модель «горячего» начала объясняла происхождение химических элементов, их количественные соотношения сейчас, но образование крупномасштабных скучиваний в пространстве или существование квазаров она не объясняла.