Книга Бытия. Общая история происхождения

Протоны и нейтроны рождаются непрерывно, вместе со своими античастицами. Когда первые и вторые встречаются, они немедленно аннигилируют в фотоны, но среда в это время настолько раскалена, что на место исчезнувших тут же из вакуума извлекаются новые и новые пары. Процесс повторяется снова и снова, пока температура это позволяет. В этом очень быстром цикле рождения и уничтожения постепенно накапливается изначально совсем небольшая асимметрия вещества и антивещества. Медленно, но неуклонно эта бесконечно малая разница в населенности приводит к тому, что антипротоны и антинейтроны исчезают из последующих поколений – во Вселенной остается только вещество.

После того как температура становится ниже минимального значения, при котором возможно образование протон-антипротонных или нейтрон-антинейтронных пар из вакуума, процесс останавливается – и заканчивается эра адронов. Но энергии пока еще достаточно для рождения электрон-позитронных пар, и тогда они населяют Вселенную, прокручивая вариант истории, полностью аналогичный только что описанному для адронов.

В отличие от протонов и нейтронов, электроны – наилегчайшие. Они весят почти в две тысячи раз меньше тех триплетов кварков, которые им скоро надо будет сопровождать. Но у них нет составных элементов. И нет заряженных частиц с меньшей массой. Сочетание принципа сохранения энергии, обязывающего всякую частицу распадаться на частицы меньшей массы, и принципа сохранения заряда, который не позволяет электрону распасться на нейтральные частицы, оборачивается для электрона тем, что и ему приходится быть стабильным.

По прошествии нескольких мгновений после Большого взрыва Вселенная уже наполнена самыми легкими из заряженных частиц. Отныне она содержит все необходимые ингредиенты для формирования стабильного вещества, но все-таки еще требуется немного терпения.

Самым скромным и вежливым не удается стать первыми

В то время как Вселенная наполняется протонами и нейтронами, растет и популяция нейтрино. Они самые легкие среди лептонов, их массы до того ничтожны, что до самого последнего времени считались нулевыми. Только совсем недавно было установлено, что их массы чуть-чуть отличны от нуля, хотя нам пока не удалось измерить их с достаточной точностью. Нейтрино – это лептоны, и потому они не участвуют в сильном взаимодействии, а также они электрически нейтральны, поэтому и в отношении электромагнитных сил индифферентны. Единственная сила, которой они подчиняются, – это сила слабого взаимодействия. Из-за этого они крайне ненавязчивы и исключительно деликатны. Нейтрино – очень вежливые частицы, так что двигаются они с крайней осмотрительностью: им удается проникать сквозь огромные количества вещества практически незаметно, не производя в них никакого возмущения. И тем не менее они играют фундаментальную роль в том равновесии, которое определяет материальное строение Вселенной.

Как мы увидели, нейтроны слегка тяжелее протонов; эти 0,14 % различия в массе можно сравнить с сотней граммов разницы в весе двух взрослых дядек по восемьдесят килограммов каждый. Но все же протоны и нейтроны должны находиться в состоянии теплового равновесия, и поэтому на каждого приходится равная энергия. Из-за разницы в массе популяция нейтронов, следовательно, должна быть чуть-чуть менее многочисленна, чем популяция протонов. Пока температура колоссальна, эта маленькая деталь приводит к незначительным последствиям. Но по мере того, как распределяемая тепловая энергия уменьшается, эта разница становится все более и более важной. И за счет чего сократится популяция нейтронов и размножатся недостающие протоны? Для этого нужны реакции, расходующие нейтроны, вроде слабого распада, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино, или какие-то другие эффекты такого же рода. Вывод: нейтринный газ, участвующий в этом процессе, должен сравняться по температуре с фотонами и адронной материей, с которыми он взаимодействует.

Этот динамический процесс прерывается в момент времени t, равный одной секунде. К этому моменту температура уже упала настолько, что для поддержания теплового равновесия имеется по шесть протонов на каждый нейтрон, и дальше ситуация развивается по нарастающей. Температура падает теперь с такой скоростью, что нейтрино не успевают поддерживать нужную для равновесного распределения тепловой энергии между протонами и нейтронами скорость реакций. До сих пор элементарные частицы всех типов находились в равновесии. Но сейчас наступает время Капоретто[20]: непоправимо проиграв сражение, нейтрино оставляют поле боя. Колоссальная популяция деликатных и вежливых элементарных частиц прощается с первичной материей, и они начинают бесцельно носиться по Вселенной, храня лишь воспоминания о температуре, которая когда-то у них была общей со всеми другими частицами, до момента окончательного с ними разрыва.