Маленькая книга о Большом взрыве

На предыдущих страницах я пытался убедить вас, что в прошлом температура во Вселенной была выше, чем сейчас. И на самом деле: в течение нескольких минут после Большого взрыва Вселенная была достаточно раскалена, чтобы в ней начали происходить реакции ядерного синтеза, аналогичные реакциям на Солнце, которые превращали имевшиеся компоненты в гелий. Но по мере расширения Вселенной температура в ней падала, из-за чего процесс выработки гелия вскоре остановился. Как сказал сам Гамов, все произошло так быстро, что за это время вы едва бы успели сварить картошку. Так или иначе, 24 % гелия и другие известные нам химические элементы появились во Вселенной именно в этот короткий срок.

Однако предложенная выше картина все еще лишена полноты и детальности. Давайте же поговорим о деталях и постараемся отыскать в них дьявола. Для этого нам даже не придется прибегать к спекуляциям, ведь рассматриваемый нами вопрос не выходит за рамки классической физики.

Скажу честно: формально я все это время говорил о легких изотопах. Возможно, вы уже знаете: химические элементы отличаются количеством протонов в их ядре; а изотопы конкретного элемента отличаются количеством нейтронов. Обычное ядро водорода, например, состоит из одного-единственного протона, в то время как ядро дейтерия (его также называют тяжелым водородом), изотопа водорода, состоит из протона и нейтрона. Аналогичным образом обычный гелий состоит из двух протонов и двух нейтронов и называется гелий-4, тогда как гелий-3 включает в себя два протона и только один нейтрон.

А теперь представим, что наша цель – испечь в раскаленной печке столько изотопов, чтобы они стали видимыми посредством астрономических наблюдений. Сперва посмотрим на наши ингредиенты. Чтобы лишний раз не усложнять рецепт, возьмем содержимое Вселенной на раннем этапе ее существования: нейтроны, протоны и электроны, ведь именно они лежат в основе тех химических элементов, которые мы имеем сегодня. Варево будет готовиться теми самыми четырьмя сотнями фотонов, упакованными в кубический сантиметр (см. главу 5) и составляющими реликтовое излучение.

Наконец, нам потребуется еще один ингредиент: субатомная частица под названием нейтрино. Помимо фотонов, именно нейтрино являются легчайшими фундаментальными частицами. В природе они взаимодействуют с другими частицами с большим трудом. Нейтрино может преодолевать расстояния более светового года без остановки. Именно по этой причине нейтрино, оставшиеся во Вселенной с момента Большого взрыва, так долго не были обнаружены непосредственно. Все же мы знаем, что они существуют, ведь без них процесс нуклеосинтеза, равно как и получение убедительных результатов исследований были бы невозможны.

* * *

Теперь все ингредиенты собраны, а значит, самое время поговорить о температуре приготовления. Чтобы не отягощать себя лишними вопросами о сингулярности Большого взрыва (то есть о моменте, когда температура была бесконечно высокой), мы будем отталкиваться от времени, когда Вселенная уже успела образоваться. Представим себе Вселенную спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва. С учетом того, что в настоящее время температура CMBR составляет 2,7 °С, температура Вселенной в то время должна была достигать где-то около триллиона градусов.

Такие величины могут показаться вам фантастическими, но в мире физики вообще много чего случается за 0,0001 секунды, да и температура, приближающаяся к триллиону градусов, остается хоть и с трудом, но все же представимой: при ней могут существовать обычные протоны и нейтроны, да и происходящие между ними ядерные реакции довольно привычны для физиков. Конечно, при более высоких температурах нейтроны и протоны «испарились» бы, распавшись на составные части, кварки, и ядерные реакции вообще не были бы возможны.

Что касается атомного ядра, для него один триллион градусов – неприемлемо высокая температура: протоны и нейтроны при ней по-прежнему сталкиваются, но скорость их движения так высока, что сильное взаимодействие из главы 1 просто не успевает объединить их в ядро дейтерия или гелия. Точно так же, как при температуре выше нескольких тысяч градусов атомы водорода ионизируются, распадаясь на электроны и протоны, образуя плазму, ядра атомов при температуре триллион градусов «ионизируются», распадаясь на нейтроны и протоны.

В течение секунды после Большого взрыва температура резко упала до каких-то десяти миллиардов градусов – примерно такая же температура наблюдается сейчас в центре Солнца. Такая температура уже достаточно умеренна и годится для образования ядер атомов.