Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Атомное ядро состоит из смеси двух видов нуклонов: электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Протоны тесно упакованы в мельчайшем объёме ядра, а это значит, что электромагнитное отталкивание между ними должно быть огромным. Какая же сила мешает атомным ядрам разлетаться в разные стороны? Эта сила должна быть гораздо больше электромагнитной! Физики назвали её попросту сильным взаимодействием.

Природа сильного взаимодействия довольно сложна. В соответствии со стандартной моделью физики частиц, которая предлагает что-то вроде набора рецептов взаимодействий между фундаментальными частицами с указанием действующих при этом сил, сильное взаимодействие связывает не сами протоны и нейтроны, а составляющие их кварки. Каждый кварк испытывает такое взаимодействие в результате обмена особыми частицами – глюонами, которые как раз и склеивают («клей» по-английски «glue») кварки друг с другом. Три кварка, находящиеся внутри каждого протона и нейтрона, в бешеном темпе обмениваются глюонами, которые тесно скрепляют их.

Каким же образом сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре? Когда протоны и нейтроны оказываются достаточно близко, кварки в одном нуклоне «чувствуют» присутствие кварков в другом – и тоже начинают обмениваться глюонами. Получается, сильное взаимодействие, связывающее ядро в неразрывное целое, обеспечивается лишь избытком глюонов, который просачивается между кварками одного нуклона в другой! Какой невероятной мощью должно обладать это взаимодействие!

Из всего этого следует, что сильное взаимодействие между протонами и нейтронами происходит только на очень малых расстояниях, и, чтобы эти силы начали действовать, частицы должны оказаться очень близко друг к другу. Это требование и создаёт трудности при рассмотрении вопроса об образовании элементов в ранней Вселенной.[31] Верно, что из-за высоких температур в ранней Вселенной протоны и нейтроны испытывали множество сверхинтенсивных столкновений, в ходе которых достаточно сближались, чтобы сильное взаимодействие могло сцеплять их друг с другом. Протон и нейтрон могли объединяться, образуя ядро дейтерия (тяжёлого водорода). Но дейтериевые ядра очень хрупки, и в яростном хаосе Большого Взрыва они быстро разлетались на части. А без образования дейтерия не могли образовываться и более тяжёлые элементы. Этот тупик получил название «дейтериевого бутылочного горлышка».

Но в конце концов Вселенная остыла достаточно для того, чтобы дейтерий перестал распадаться в результате столкновений и смог служить строительным материалом для создания более тяжёлых ядер. Два ядра дейтерия могли объединяться и образовывать ядро гелия-4. А если ядро дейтерия присоединяло отдельный протон, получалось ядро гелия-3. Так, по-видимому, и открывался путь к созданию остальных химических элементов. Однако, по мере того как Вселенная продолжала остывать, наметилась очередная трудность.

Ядра дейтерия заряжены положительно и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Когда Вселенная остывала, движения дейтериевых ядер замедлялись, становились вялыми. Теперь, когда они сближались, включались электромагнитные силы и отбрасывали их друг от друга. Ядра просто не могли сблизиться настолько, чтобы сильное взаимодействие включилось и связало их воедино. Отбрасывались и свободные протоны. Спустя всего несколько минут, за которые успело образоваться некоторое количество ядер гелия и лития, нуклеосинтез должен был оборваться.

Путь к образованию более тяжёлых элементов в ходе Большого Взрыва оказался отрезан. А мы снова остались с тем же вопросом: откуда взялись химические элементы?

Вселенная как Lego

Была ли возможность избежать «дейтериевого бутылочного горлышка»? Разумеется, должны существовать иные пути образования тяжёлых элементов. Что, если вдобавок к объединению протона и нейтрона в дейтерий, мы рассмотрим склейку двух протонов (дипротон) или двух нейтронов (динейтрон) и дальнейшее построение элементов из этих «кирпичиков»? Разве не забавно было бы строить Вселенную на манер башни из Lego, соединяя разные блоки друг с другом так и этак? Но, увы, это невозможно: ядерная физика всё-таки не алхимия. Некоторые реакции очень редки, а некоторые – вообще невозможны.