Маленькая книга о Большом взрыве

Так продолжалось недолго. Как только температура упала, слабое взаимодействие резко замедлилось, и уже в первую секунду после Большого взрыва частота взаимодействий стала намного ниже скорости расширения Вселенной. Нейтрино перестали сталкиваться с нейтронами и протонами, реакции во Вселенной, подобные столкновениям шаров на бильярдном столе, прекратились. Мы уже близки к ответу на наш первоначальный вопрос: соотношение 1:7 – это приблизительное соотношение количества нейтронов к протонам непосредственно в момент «заморозки», когда они прекратили сталкиваться с нейтрино.

В последующие три минуты, предшествовавшие нуклеосинтезу, количество протонов и нейтронов почти не менялось[18]. Что было дальше, вы уже знаете: ядерные реакции синтеза превращали нейтроны и протоны в гелий; в конце концов нейтроны закончились, а общий объем гелия составил 24 %.

Имейте в виду, что все это касается исключительно ядер атомов. Сами же атомы появились лишь в эпоху рекомбинации, то есть 380 тыс. лет спустя, когда температура опустилась достаточно низко, чтобы электроны могли прикрепиться к ядрам.

Тот факт, что итоговый объем гелия почти полностью зависит от отношения количества нейтронов к количеству протонов на стадии «заморозки», позволил космологам в 1980-х годах установить общее число типов нейтрино еще до того, как это было сделано в ходе лабораторных исследований. На данный момент нам известно о существовании трех типов нейтрино, обладающих разными, как принято называть их свойства, «ароматами». Пока мы не можем утверждать, что есть еще какие-то типы нейтрино. Существование нейтрино с иными «ароматами» свидетельствовало бы о том, что реальный коэффициент расширения Вселенной в период нуклеосинтеза должен был бы быть выше, чем мы думали. А поскольку в таком случае он бы вызвал снижение частоты слабых взаимодействий раньше (при более высоких температурах и большем количестве нейтронов), дополнительные «ароматы» у нейтрино породили бы большее количество гелия. Ограничение количества гелия 24 % исключает возможность существования иных «ароматов», что впоследствии было доказано экспериментально в адронных коллайдерах.

* * *

Пожалуй, самым удивительным в гипотезе нуклеосинтеза (за исключением того, что он вообще существует) является то, что в этой модели нет никаких допущений. Обстоятельства, сложившиеся во Вселенной спустя 0,0001 секунды после Большого взрыва, не выходят за рамки классической физики, а реакции неоднократно повторялись в лабораторных условиях. Единственным потенциально изменчивым показателем в данном случае остается плотность нейтронов и протонов в сегодняшней Вселенной, ее определила плотность частиц в период нуклеосинтеза. Поскольку же нейтроны и протоны обобщенно называются барионами (термин для обозначения тяжелых частиц), среди космологов принято говорить о плотности барионов.

Когда речь заходит о статистике летальных исходов вследствие какого-либо заболевания, количество смертей оказывается намного более информативным показателем, если оно выражено в доле населения. В физике исходные данные могут быть записаны в виде отношения количества фотонов к количеству барионов, составляющего приблизительно 10⁹ к одному. Другими словами, в нашей Вселенной на каждый барион приходится около миллиарда фотонов. Несмотря на то что величина 10⁹ показывает прекрасные результаты при расчетах, связанных с нуклеосинтезом, мы пока не можем сказать, почему на этом месте не стоит 1 или, например, 618. Вполне возможно, что это число – просто данность, характерная для Вселенной с момента ее зарождения, но физики с присущим им скептицизмом считают ситуацию примером концепции тонкой настройки, то есть корректировки параметров модели таким образом, чтобы она соответствовала именно нашей реальности. Чтобы как-то объяснить 10⁹, они стараются отыскать естественный механизм появления этого числа.

Было бы вполне «естественно», если бы Вселенная возникла с одинаковым количеством материи и антиматерии, ведь нет никаких фундаментальных причин, по которым оно должно различаться. Тем не менее наша Вселенная почти полностью состоит из того, что сегодня принято называть материей[19]. В 1967 году физик Андрей Сахаров предположил, что этот количественный разрыв возник уже в процессе Большого взрыва. Он был незначительным: примерно миллиард частиц антиматерии на миллиард и одну частицу материи. Поклонники сериала «Звездный путь» наверняка знают, что при контакте материи и антиматерии происходит аннигиляция, порождающая два фотона. Именно благодаря ей мы теперь живем в левосторонней Вселенной, где на каждый барион приходится несколько миллиардов фотонов. Но подобное объяснение лишь порождает новый вопрос: чем определяется масштаб дисбаланса материи и антиматерии?

Хотя Сахаров и определил условия, при которых данное расхождение должно было возникнуть, ему так и не удалось убедительно объяснить, что стоит за соотношением фотонов и барионов. Над решением этой проблемы физики работают до сих пор.