Большой Взрыв: первые минуты

По мере дальнейшего расширения Вселенной и понижения температуры энергия теплового движения перестает быть достаточной для рождения тяжелых частиц. Все они нестабильны, и потому до наших дней не дожили. Мы знакомы с ними лишь по их мимолетным появлениям в мощных ускорителях и в потоках космических лучей. Вымирание (физики говорят: «вымораживание») тяжелых частиц означает цепочку нарушений больцмановской симметрии.

В ту же эпоху произошло нарушение еще одной важнейшей симметрии — между частицами и античастицами, — в результате которого частиц оказалось немного, на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. Именно из этой доли состоят сегодняшние звезды, планеты и люди: все остальные частицы и античастицы взаимно аннигилировали, превратившись в электромагнитное излучение.

Когда возраст Вселенной достиг 50 микросекунд, температура упала до 5 триллионов градусов, а состав вещества свелся к бурлящей смеси протонов и нейтронов, составляющих современные атомные ядра, а также легких элементарных частиц — электронов, фотонов и нейтрино. Высокая температура еще некоторое время поддерживала взаимопревращения нейтронов и протонов, однако когда возраст Вселенной достиг 1 секунды, а температура опустилась до 10 миллиардов градусов, нарушилась и эта симметрия. Реакции «про­тон ¾® ней­т­рон» стали тормозиться (поскольку нейтрон несколько тяжелее протона) и через 3 секунды прекратились полностью. За это время количество нейтронов уменьшилось до 15¸20% от числа протонов, и если бы дела пошли так и дальше, через два-три часа (свободный нейтрон распадается в среднем за 15 минут, см. п. 3.3.3.3) нейтронов во Вселенной практически не осталось бы.

Последствия были бы поистине ужасны. Единственный химический элемент, ядра атомов которого не содержат нейтронов — водород. Вселенная могла бы состоять из одного водорода, и в этом случае не было бы ни звезд, ни планет, ни живых существ. Однако космологическая история похожа на многосерийный боевик, в каждой серии которого хотя и совершается несколько убийств, главные герои неизменно остаются живыми, чтобы появиться в следующих сериях.

Роль палочки-выручалочки для нейтронов сыграли реакции их объединения с протонами в альфа-частицы — ядра атомов гелия. Реакции эти шли и раньше, но возникавшие альфа-час­ти­цы тут же разрушались из-за слишком высокой температуры. Когда же температура упала настолько, что нейтроны стали «вы­мер­зать», одновременно ядра гелия приобрели способность «держать» потерявшие свою силу удары окружающих частиц. За короткое время, несколько секунд, все нейтроны были связаны в ядра гелия. В ядре же они могут существовать бесконечно. Именно благодаря этому убежищу до наших дней дожило достаточно нейтронов, чтобы обеспечить образование химических элементов помимо водорода.

Итак, через 3–5 минут после рождения Вселенная имела температуру около миллиарда градусов, плотность 100 000 кг/м³ (в 15 раз больше плотности стали) и была заполнена протонами (ядрами водорода), альфа-частицами (яд­ра­ми гелия), а также электронами, нейтрино и электромагнитным излучением (фотонами).

Поиск по сайту: