ГЛАВА 4. Большой Взрыв и проблема антивещества

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 

Одна моя знакомая, молодой драматург, объясняла мне, почему так трудно сделать хорошую пьесу из жизни физиков. «Понимаешь,— говорила она,— предмет ваших занятий настолько сложен, что если напрямую перенести на сцену те коллизии, которые разыгрываются у вас в лабораториях, то зритель просто окажется не в состоя­нии понять, о чем идет речь. Максимум, что будет видно со стороны, так это то, что физики любят свою работу и считают ее очень важной. Но от самой физики как нау­ки остаются лишь декорации — мигающие лампочки и пучки проводов».

Она совершенно права: физиков нельзя показывать в отрыве от тех дел, которыми они занимаются. Получится всего лишь еще один портрет «молодого современника», только на фоне осциллографов. Но разве действительно

те проблемы, которыми мы занимаемся, так сложны и невоспроизводимы на сцене? Ведь большинство людей незнакомо с тонкостями кардиологии или пилотирования авиалайнеров, однако это никому не мешает с интересом смотреть фильмы и пьесы о врачах и летчиках. Мы не понимаем, как хирург проводит операцию, но борьба за жизнь человека нас не может не волновать. Точно так же частные вопросы физики могут быть непонятны широ­кой аудитории, но есть в физике и такие проблемы, кото­рые имеют общечеловеческую значимость.

И совсем не нужно обладать соответствующим дип­ломом, чтобы почувствовать их важность и удивительную красоту.

Кто скажет, сколько надо иметь классов образования, чтобы почувствовать волшебную прелесть звездного не­ба? Его великолепие волнует человечество в течение всех веков. Разве можно утверждать, что сегодняшнему зри­телю уже не интересна тайна происхождения Вселенной? Я глубоко уверен, что рассказ о том, как физики решают проблемы развития Вселенной, обладает не меньшим сце­ническим «потенциалом», чем история любовного тре­угольника или конфликта с «плохим директором». Тем более, что современная космология достигла поразитель­ных результатов.

Уже в древности люди могли предсказывать движе­ния отдельных планет, не так давно началось интенсив­ное изучение видимой части Вселенной. Сегодня же мы способны рассчитать отдельные моменты развития всей Вселенной как целого. В последнее время авторы почти каждого обзора по космологии не удерживаются от соб­лазна привести своеобразное «расписание движения» Вселенной. С точностью не то что до секунды, а до таких интервалов времени, которым уже в нашем языке не на­ходится подходящих числительных, современные маги от космологии рассчитывают процессы, которые происходи­ли во Вселенной.

Такие «расписания» производят очень сильное впеча­тление, как будто мы имеем дело не с описанием поведе­ния невообразимых количеств вещества при колоссаль­ных температурах и давлениях, а с движением какой-ни­будь пригородной электрички!

Оказывается, в макромире существенную роль

играют законы микромира. Именно процессы, которые происходят на исключительно малых расстояниях, опре­деляют судьбы вещества в космических просторах. Фан­тастическая взаимосвязь явлений в природе позволяет нам, исследуя поведение элементарных частиц, делать предсказания о поведении всей Вселенной как целого. Более того, возникает и обратная связь: наблюдая раз­витие Вселенной, мояСно получить информацию о свой­ствах элементарных частиц. В ряде случаев сведения об элементарных частицах, полученные с помощью анали­за наблюдений на телескопах, гораздо более точны, чем данные, которые предоставляют нам современные микро­скопы — ускорители.

Конечно, восхищение удивительными достижениями космологии довольно быстро может смениться вполне естественным подозрением: насколько все это верно? На­сколько твердо обоснованны такие впечатляющие резуль­таты? Может быть, это разновидность современной ал­химии? Основные положения сегодняшней теории Все­ленной выглядят настолько вызывающими, что отнюдь не все ее полностью принимают. Например, известный шведский астрофизик, лауреат Нобелевской премии Хан-нес Альфвен совсем недавно, в 1979 году, писал в нашем сборнике «Будущее науки» буквально следующее: «Сов­ременная космологическая теория представляет собой верх абсурда — она утверждает, что вся Вселенная воз­никла в некий определенный момент подобно взорвав­шейся атомной бомбе, имеющей размеры (более или менее) с булавочную головку. Похоже на то, что в тепе­решней интеллектуальной атмосфере огромным преиму­ществом космологии «Большого Взрыва» служит то, что она является оскорблением здравого смысла: cre­do, quia absurdum («верю, ибо эта абсурдно»)!

В этой главе мы как раз и будем заниматься рассмот­рением «оскорбляющей здравый смысл» теории Большо­го Взрыва.

Надо сразу сказать, что отнюдь не все проблемы кос­мологии сполна уже решены. В нашем распоряжении сейчас не так много экспериментальных данных, как хо­телось бы.

Однако сегодня теория Большого Взрыва — это об­щепринятая модель, которая позволяет дать единое объ­яснение целому ряду наблюдательных фактов.

Можно много гадать, как будет развиваться космоло­гия в будущем. Вполне возможно, что «расписание дви­жения» Вселенной изменится. Но, как сказал выдающий­ся американский физик С. Вайнберг: «Очень примеча­тельно, что есть возможность сказать, на что была похо­жа Вселенная в конце первой секунды или первой мину­ты или первого года... Откровенно говоря, мы не абсолют­но уверены во всем этом, но весьма волнует, что сейчас мы способны говорить о подобных вещах хоть с какой-то долей уверенности».

О модели Большого Взрыва, об истории ее возникно­вения и о современном состоянии написано много хоро­ших книг, в том числе и научно-популярных. Поэтому мы отсылаем читателя, ищущего подробностей, к списку ли­тературы в конце книги. Нас же будут интересовать в первую очередь те особенности этой теории, которые име­ют отношение к проблеме антивещества.

Как мы видели в предыдущей главе, эксперименталь­ные данные не подтверждают существования больших количеств антивещества во Вселенной, хотя полностью исключить такую возможность они не могут. Однако все-таки «общественное мнение» физиков и астрономов скло­няется к тому, что Антимира все же нет. Дело в том, что мало утверждать о возможных размерах областей анти­вещества, надо также иметь внятный ответ на вопрос, откуда вообще взялась эта антиматерия.

Для объяснения возникновения Антимира в свое вре­мя было выдвинуто несколько теорий, но все они имели много противоречий и подчас просто не согласовывались со всей совокупностью экспериментальных фактов. На сегодняшний день у нас нет удовлетворительной модели появления и развития Антимира.

С другой стороны, общепринятая космологическая те­ория с уверенностью дает совершенно четкое предсказа­ние: если бы в начале развития Вселенной было одина­ковое количество вещества и антивещества, то это при­вело бы к совершенно драматическим последствиям. Не только Антимир, но даже наш Мир не мог бы возникнуть в этом случае.

Для того чтобы лучше понять, откуда возникает такой грустный (для сторонников Антимира) вывод, давайте ознакомимся с основными положениями теории Большо­го Взрыва.

1. Вселенная расширяется

Еще в начале века американский астрофизик В. Слай-фер, который изучал спектры излучения слабых туман­ностей, заметил, что линии этих спектров смещены в сто­рону больших (красных) длин волн. Правда, были и объ­екты, спектры которых сдвигались в сторону меньших (голубых) длин волн. Обычно сдвиг линий означает, что источник излучения движется: либо удаляется от наблю­дателя (красное смещение), либо приближается к нему (голубое). Это есть проявление хорошо известного эф­фекта Доплера (рис. 35). Однако в то время астрономы еще не придумали способа, каким можно было бы из­мерить расстояние до таких слабых туманностей. Поэто­му сам факт того, что одни звездные объекты удаляются от нас, а другие приближаются, никого не удивил.

В 20-е годы американский астроном Эдвин Хаббл смог определить расстояния до нескольких ближайших к нам галактик. Когда он сравнил эти расстояния с уже измеренными смещениями спектра излучения галактик, то обнаружилась довольно интересная картина: все без исключения спектры галактик были сдвинуты в сторону красных длин волн, причем чем дальше от нас находи­лась галактика, тем больше сдвигался спектр ее излуче­ния. Но это означает, что галактики удаляются от нас и, как следует из рассмотрения рис. 35, скорости их раз-бегания растут по мере увеличения расстояния до галак­тики. По своим данным Хаббл смог установить, какому закону подчиняется такое возрастание скоростей. Оказа­лось, что

v = HR,

то есть скорость убегания галактики v прямо пропорцио­нальна расстоянию R до нее. Коэффициент пропорцио­нальности Н называют сейчас постоянной Хаббла.

С тех пор прошло уже полвека, и за это время астро­номы измерили красные смещения и расстояния у мно­жества объектов внегалактического происхождения. Оказалось, что для всех них закон Хаббла хорошо вы­полняется.

Такое поведение галактик приводит к ряду совершен­но фундаментальных выводов. Во-первых, разбегание галактик свидетельствует о том, что наша Вселенная рас­ширяется.

Рис. 35. Эффект Доплера. Пусть излучение покоящегося источника характеризуется такими параметрами: длиной волны X — расстояни­ем между гребнями или впадинами и частотой испускания фотонов в единицу времени /. Связь между ними такова: X = c/f, где с — ско­рость света. Если источник света удаляется от нас, число фотонов, которое попадает от него на Землю в единицу времени, будет умень­шаться, то есть частота излучения / уменьшается. Следовательно, длина волны X увеличивается и происходит сдвиг линии излучения в красную область спектра. Когда источник движется на нас, число фотонов, приходящих от него в единицу времени, будет увеличивать­ся. Следовательно, длина волны уменьшается. Возникнет голубое смещение. Чем больше скорость движения источника, тем больше бу­дут сдвинуты линии его излучения

ду наблюдаемой изотропией в распределении вещества во Вселенной, о котором мы говорили в предыдущей гла­ве, и тем, что закон расширения имеет такой именно вид, как и закон Хаббла (рис. 36).

Персонаж телевизионного фильма из цикла «Следст­вие ведут знатоки» говорит, что цена старинных вещей может увеличиваться, так как Вселенная расширяется и их становится меньше. Конечно, хорошо, что современ­ные космологические представления так популярны сре­

ди населения. Однако справедливости ради надо отме­тить, что разбегание галактик никак не затрагивает ве­щество, которое в них содержится. Звезды, планеты, на­ша Земля отнюдь не расширяются, поэтому количество антикварных ценностей на единицу объема тоже не ме­няется в ходе расширения Вселенной.

Но если сейчас мы видим разбегание галактик, не означает ли это, что в прошлом они были расположены «достаточно близко» друг от друга? Оказывается, зная численное значение постоянной Хаббла, можно устано­вить «возраст» Вселенной, то есть время, прошедшее от того момента, когда все видимые наши галактики были в «одной точке», до сегодняшнего дня. Оно пропорцио­нально обратной величине константы Хаббла

t Вселенной 5=5 1 /Н

и по порядку величины составляет 10—20 миллиардов лет.

Этот вывод из закона Хаббла уже действительно ка­жется оскорбляющим здравый смысл. Он порождает мас­су вопросов. Что значит «галактики были в одной точке»? Почему Вселенная вдруг стала расширяться? Что было до момента начала расширения? В каких условиях нахо­дилось вещество в ранней Вселенной? Все эти вопросы долгое время оставались без ответа (некоторые из них и до сих пор не  решены),  поэтому  модель Большого

Подпись:
Рис. 36. Однородность и закон Хаббла. Если пространство од­нородно, то наблюдатель в лю­бой галактике А, В, С должен видеть одно и то же. Стрелка­ми показаны скорости галактик. В 1-й строчке — картина, види­мая из галактики Л, во 2-й — из В, а в 3-й — из С. Требова­ние однородности приводит к тому, чтобы скорость С, види­мая из В, должна быть такой же, как скорость С, видимая из А. Отсюда скорость С, види­мая из А, есть 2 скорости В. Стало быть, скорости галактик должны линейно возрастать с увеличением расстояния до них (по С. Вайнбергу)

Взрыва долгое время считалась лишь одной из возмож­ных космологических гипотез, причем не самой лучшей. 2. Реликтовое излучение

Решающим фактором для формирования современ­ных взглядов на Вселенную стало открытие в 1965 году реликтового излучения с температурой три градуса по шкале Кельвина. Его открыватели американские радио­астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон намеревались изучить радиоизлучение, испускаемое нашей Галактикой вне пло­скости Млечного Пути. Совершенно неожиданно они об­наружили некое фоновое излучение, интенсивность ко­торого оставалась постоянной для разных участков неба и не менялась со временем. Пензиас и Вилсон нашли, что температура этого излучения составляет примерно три градуса выше абсолютного нуля, то есть три градуса по шкале Кельвина. Впоследствии такой же равномерно распределенный по небу фон был обнаружен для раз­ных диапазонов волн, и оказалось, что зависимость ин­тенсивности фона от длины волны в точности повторяет спектр излучения черного тела с температурой примерно 2,9 К (рис. 37).

Что же такое черное тело? Этим мрачным термином физики называют вполне безобидные объекты. Предста­вим себе термос, в который брошен маленький раскален­ный уголек. Уголек излучает фотоны, которые, ударяясь о стенки термоса, могут либо отразиться от стенок, либо поглотиться ими. При этом температура стенок повыша­ется, они тоже начинают испускать излучение в виде фо­тонов. В конце концов наступает такой момент, когда стенки термоса поглощают ровно столько фотонов, сколь­ко излучают обратно. Это и называется тепловым равно­весием, а тело, находящееся в тепловом равновесии с излучением, называется черным. Черное тело может из­лучать фотоны с разными энергиями, причем зависимость числа фотонов, испускаемых черным телом, от энергии имеет вполне определенный спектр и обусловлена лишь одним параметром—температурой. На рис. 38 показан характерный спектр черного тела для разных темпера­тур. Интересно, что современная квантовая физика на­чалась именно с решения задачи об излучении черного тела. Все попытки описать спектр этого излучения на основе обычных классических представлений оказались безуспешными. Лишь нарушив каноны классической физики и предположив, что черное тело излучает и


поглощает энергию только вполне определенными пор­циями — квантами, Макс Планк смог объяснить наблю­даемый вид спектра излучения черного тела.

Итак, вернемся к астрофизике. Никакой Шерлок Холмс не смог бы вывести из открытия Пензиаса и Вил-сона столько фундаментальных следствий, сколько полу­чили астрофизики. Прежде всего отсутствие каких-либо изменений фона трехградусного излучения от направле­ния и времени измерений указывало на то, что эти радио­волны приходят к нам не от нашей Галактики, а от зна­чительно большего объема Вселенной. Пензиас и Вил­

сон обнаружили действительно совершенно удивитель­ную вещь. Если раньше считали, что мир состоит, очень грубо говоря, из звезд и их света (излучения), то Пензи­ас и Вилсон обнаружили «свет», который не принадле­жит звездам. Это излучение равномерно заполняет всю нашу Вселенную и является отголоском тех процессов, которые происходили во Вселенной в эпоху ее молодос­ти. Поэтому такое излучение называют реликтовым. Ка­кую же информацию несут нам реликтовые фотоны?

а) Молодая Вселенная должна быть горячей

Чтобы понять это утверждение, рассмотрим, что про­исходит с излучением в расширяющейся Вселенной.

Средняя плотность вещества в настоящее время иск­лючительно мала, порядка одного атома в кубическом метре пространства. Поэтому сегодняшняя Вселенная практически прозрачна для излучения. Фотоны почти не тратят свою энергию на столкновения с частицами веще­ства. Тем не менее энергия фотонов в расширяющейся

Вселенной уменьшается. Мы уже говорили, что спектры излучения убегающих от нас галактик за счет эффекта Доплера испытывают красное смещение. Точно так же спектр излучения реликтовых фотонов, распространяю­щихся в расширяющейся Вселенной, «краснеет», то есть сдвигается в область больших длин волн. Но энергия фотона Е обратно пропорциональна длине волн X

Увеличение длины волны фотона приводит к умень­шению его энергии, а это в конечном счете приводит к уменьшению температуры фотонного газа. Следователь­но, при расширении Вселенной газ реликтовых фотонов остывает. В ранней Вселенной закон изменения темпера­туры излучения со временем таков:

Здесь время t надо брать в секундах, а температура Т будет в градусах Кельвина. Видно, что при

=1 секунде температура Вселенной была колоссальной: Г= 1,5 • 101G К. Для сравнения: температура наружных слоев Солнца составляет «всего лишь» 5770 К.

б) В молодой Вселенной должно быть тепловое рав­новесие

Мы только что показали, что в расширяющейся Все­ленной, прозрачной для излучения, реликтовые фотоны уменьшают свою энергию. Очень важно то обстоятельст­во, что в процессе охлаждении фотснитото гам фотоны разных энергий теряют свою энергию таким образом, что сам характер энергетического спектра фотонов не меня­ется в процессе расширения Вселенной. То есть если сейчас мы наблюдаем реликтовое излучение со спектром как у черного тела, то такой же-спектр должны иметь фо­тоны и в ранней Вселенной. Только температура фотон­ного газа была гораздо более высокой, чем сейчас.

Но черное тело — это объект, находящийся в тепло­вом равновесии со своим излучением. Следовательно, в истории Вселенной 'был такой период, когда излучение и вещество находились в тепловом равновесии

Это исключительно важное заключение, и вот поче­му. Во-первых, из него сразу следует, что в ранней Все­ленной должно быть колоссальное количество античас­тиц, примерно столько же, сколько и обычных частиц. В первые моменты развития Вселенной в ней царили не­обычайна высокие температуры и плотности. Фотоны из­лучения эффективно взаимодействовали с веществом, и молодая Вселенная была непрозрачна для излучения. Так как энергии фотонов были достаточно велики, то, взаимодействуя с веществом, они могли рождать пары частица—античастица. Вещество и излучение находи­лись в равней Вселенной в тепловом равновесии, это оз­начает, что в единичном объеме в единицу времени ровно столько пар частица—античастица рождалось под дейст­вием фотонов, сколько фотонов возникало за счет по­следующей аннигиляции этих пар. То есть в горячей, молодой Вселенной тепловое равновесие обеспечивалось непрерывным рождением и аннигиляцией нар частица— античастица.

Во-вторых, важная особенность системы в тепловом равновесии состоит в том, что она «забывает» свою исто­рию. Каким образом

 система пришла к состоянию равно­весия, каше изменения претерпевала, что за условия бы­ли в ней до начала установления теплового равновесия— вся эта информация о прошлом пропадает, теряется и сраэмывается» Поэтому до некоторой степени нам не­важно знать, что происходило во Вселенной до момента установления теплового равновесия. Мы можем описы­вать ее развитие, даже не представляя, что творилось во Вселенной в самые первые мгновения ее существования. Как ведет себя вещество, находящееся в тепловом равно­весии с излучением, довольно хорошо известно, и именно поэтому наше «расписание движения» Вселенной так точ­но.

в) Вселенная состоит иэ света!

Парадоксальным следствием открытия реликтового излучения стало то обстоятельство, что хотя мы видим вокруг себя гораздо больше вещества, чем света,— это

всего лишь иллюзия. Вещество (или, точнее, барионы) составляет лишь ничтожную часть нашего мира по срав­нению с фотонами. Подсчеты показали, что в каждом ку­бическом сантиметре находится приблизительно 500 ре­ликтовых фотонов. Если же равномерно «размазать» по пространству все вещество Вселенной, то в одном кубо­метре будет находиться всего лишь один атом. Отсюда вытекает фундаментальное отношение

Число фотонов          \Q9±l

Число барионов

(ошибка ± 1 порядок связана с неопределенностью, с которой мы знаем плотность вещества). Следовательно, сейчас на каждый барион во Вселенной приходится около миллиарда фотонов!

Это отношение полезно запомнить, оно будет часто встречаться в дальнейшем.

Однако основной вклад в плотность Вселенной вносит сегодня именно вещество. Реликтовые фотоны уже осты­ли настолько, что хотя их намного больше барионов, тем не менее их «взнос» в общую плотность Вселенной слиш­ком мал. Совсем по-другому обстояло дело в ранней Вселенной, тогда энергии фотонов были настолько вели­ки, что плотность Вселенной определялась именно излу­чением. К сожалению, мы знаем плотность Вселенной не очень хорошо. А ведь от величины этого параметра за­висит вся дальнейшая судьба Вселенной!

г) Ранняя Вселенная — суперускоритель

Оказывается, молодая Вселенная может служить ла­бораторией для изучения взаимодействий элементарных частиц при сверхвысоких энергиях. Если предположить, что период теплового равновесия наступил во Вселенной с самых первых мгновений ее существования, то легко подсчитать, какими гигантскими энергиями обладали тогда фотоны излучения. Сегодня физики могут изучать явления, происходящие при энергиях несколько сот ГэВ (1 ГэВ=1000 МэВ=109эВ). Такую температуру имела Вселенная приблизительно в 10~10долю секунды от на­чала расширения

. Как мы увидим в следующей главе,

главную роль для решения парадокса Антимира играют процессы, которые идут при еще гораздо более высоких энергиях, порядка 1014—1015 ГэВ. Такие фантастические энергии недостижимы в обозримом будущем ни на сов­ременных ускорителях, ни в космических лучах. Однако первые теории поведения элементарных частиц при та­ких энергиях уже созданы. В ранней же Вселенной тем­пературы в 1014—1015 ГэВ достигались в момент Ю-34—-— Ю-35 секунды с начала расширения. Оказывается, про­цессы, которые протекали во Вселенной в эти невообра­зимо малые промежутки времени, определяют всю ее дальнейшую историю и в конечном счете само наше с вами, дорогой читатель, существование. Но об этом мы будем подробно говорить в следующей главе. Сейчас же посмотрим, как обстоит дело с антивеществом в горячей Вселенной.

БАРИОНЫ И АНТИБАРИОНЫ В РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

Итак, модель Большого Взрыва предсказывает, что в ранней Вселенной должно было происходить непрерыв­ное рождение и уничтожение пар частица—античастица. Причем так как излучение находилось в тепловом равно­весии с веществом, то число пар должно было быть при­мерно равно числу фотонов излучения. Следовательно, молодая Вселенная могла иметь громадное количество барионов и антибарионов. Приблизительно в миллиард раз больше, чем мы видим сегодня. Куда же делась та­кая масса вещества и антивещества? Для ответа на этот вопрос рассмотрим более детально, что могло происхо­дить во Вселенной, когда ее возраст не превышал 1 се­кунды.

гаются з горячей Вселенной, настолько велики, что их тоже удобнее измерять в энергетических единицах, а не ворочать сотнями мил­лиардов градусов. В физике и космологии очень часто используют не стандартную систему единиц СИ, а так называемую естественную си­стему. В ней скорость света, постоянная Планка и постоянная Больц-мана равны единице. Тогда масса, энергия и температура измеряются в одинаковых единицах. Полезно запомнить, что 1 МэВ~ 10ю граду­сов Кельвина ж 1,7-10 27 грамма.

Начнем наш рассказ с того момента, когда с начала расширения прошло 10"6 секунды. Тогда температура из­лучения во Вселенной была порядка нескольких ГэВ. Фотоны с такой энергией могут   эффективно рождать

пары нуклон—антинуклон

суммарная масса которых приблизительно 2 ГэВ.

Вообще говоря, по современным представлениям при таких температурах во Вселенной существовали не целые нуклоны и антинуклоны, а их «составляющие части» — кварки и антикварки. Но динамика кварковой плазмы еще не очень хорошо изучена, и мы проиллюстрируем судьбу барионов и антибарионов в горячей Вселенной на примере хорошо знакомых нам нуклонов и антинукло­нов.

Итак, по мере расширения Вселенной фотонный газ охлаждается, энергии фотонов уменьшаются и, наконец, температура излучения становится меньше минимальной энергии, которая требуется для рождения пары нуклон— антинуклон. Однако рождение этих пар не прекращает­ся! Дело в том, что в спектре излучения черного тела с определенной температурой всегда присутствует какая-то доля фотонов с большой энергией. Для примера рас­смотрим спектр излучения черного тела с температурой Го=500 МэВ (рис. 38, правый). Видно, что при такой температуре больше всего фотонов имеют энергии поряд­ка 37V Некоторая, правда, значительно меньшая, часть фотонов обладает еще более высокой энергией. Такие фотоны вполне могут при взаимодействии с веществом образовать пару нуклон—антинуклон. Поэтому, даже когда температура излучения во Вселенной падает ниже порога рождения нуклона и антинуклона, эти пары все равно продолжают появляться, но уже с меньшей веро­ятностью. Поэтому если вначале число пар нуклон—ан­тинуклон было почти таким же, как число фотонов, то после того, как температура падает ниже порога рожде­ния, число этих пар начинает резко уменьшаться. Из те­ории следует, что уменьшение концентрации пар должно происходить экспоненциальным образом:

где т—масса нуклона, а Т—температура излучения. Так как экспоненциальная функция исключительно быст­ро меняется при изменении своего аргумента, то это при­водит к моментальному падению концентрации нуклонов и антинуклонов. Уже к Ю-3 секунде доля нуклонов ста­

число нуклонов = число антинуклонов ~

новится порядка 10~17 от числа фотонов! То есть за вре­мя от 10~6до 10~~3 секунды практически все вещество и ан­тивещество во Вселенной исчезает в результате анниги­ляции. Точные расчеты показывают, что если во Вселен­ной с самого начала (то есть при временах, меньших 10~в секунды) было одинаковое число нуклонов и анти­нуклонов, то к настоящему времени их концентрация со­ставляла бы астрономически малое значение:

число нуклонов         число антинуклонов ^ К)""18

 число фотонов        число фотонов

Эта почти на десять порядков (в сто миллиардов раз!) меньше, чем наблюдаемое отношение /?=10~9±1.

Следовательно, если в ранней Вселенной было бы со­вершенно одинаковое число барионов и антибарионов, то к настоящему моменту во Вселенной практически не бы­ло бы ни барионов, ни антибарионов. А значит, не мог бы существовать не только Антимир, но и сам наш Мир!

Вот к такому ошеломляющему выводу приводит на первый взгляд совершенно естественное предположение о полном равноправии вещества и антивещества в ран­ней Вселенной.

С физической точки зрения столь быстрое исчезнове­ние нуклон-антинуклонных пар происходит из-за того, что, когда температура падает ниже порога рождения, пары слишком долго находятся в состоянии теплового равновесия с излучением. Только при этом условии спра­ведлив закон экспоненциального падения концентраций нуклонов и антинуклонов. Если бы эти частицы вышли из состояния теплового равновесия по отношению к из­лучению, то их концентрации менялись бы совсем по-другому, гораздо медленнее. Но что значит «вышли из состояния равновесия»? Тут необходимо некоторое по­яснение.

Расширяющаяся Вселенная совсем не похожа на за­крытый термос с угольком, на примере которого мы по­ясняли понятие черного тела, находящегося в равновесии со своим излучением. Температура Вселенной все время падает в ходе расширения, и, чтобы вещество и излуче­ние тем не менее оставались в тепловом равновесии, не­обходимо, чтобы скорость процессов, устанавливающих это равновесие, была бы намного больше, чем скорость изменения температуры Вселенной.

Подпись: К несчастью для приверженцев Антимира, скорость реакции аннигиляции, которая в нашем случае ответст¬венна за восстановление равновесия между нуклонами и излучением, слишком велика. Нуклоны и антинуклоны очень «охотно» аннигилируют друг с другом. Поэтому они слишком долго не выходят из состояния теплового равновесия с излучением и падение их концентрации по экспоненциальному закону неизбежно приводит к почти полному исчезновению тех огромных количеств вещества и антивещества, которые имелись в ранней Вселенной.
Если исчезновение антивещества, в общем-то, согла¬суется с наблюдениями (мы действительно нигде не ви¬дим во Вселенной антивещества в больших масштабах), то как быть с веществом? Ведь мы-то с вами все-таки


существуем? Откуда тогда берутся те нуклоны, из кото­рых состоит окружающий нас Мир?

Долгое время этот, казалось бы, простой вопрос оста­вался нерешенным. Обычно предполагали, что Вселенная устроена таким образом, что с самого начала барионов было чуть больше, чем антибарионов. Оказывается, что­бы не вступать в противоречие с наблюдаемым отноше­нием числа барионов к числу фотонов, надо считать, что число барионов было в 1,000000001 раза больше числа антибарионов. То есть на каждый миллиард пар барио­нов и антибарионов приходился бы один лишний барион. Тогда в процессе расширения весь этот миллиард проан-нигилировал бы и исчез, а примесь барионов выжила бы и создала все окружающее нас великолепие.

Но откуда взялись эти «лишние» барионы? Если бы можно было объяснить возникновение такого избытка барионов, то это было бы совсем замечательно. Тогда, с одной стороны, получало бы обоснование существование нашего Мира, а с другой стороны, становилось понятным, почему все поиски Антимира не дают положительных ре­зультатов.

Надо сказать, что расчеты концентрации антибарио­нов в несимметричной Вселенной, где с самого начала присутствовал некоторый избыток барионов, дают совер­шенно убийственные результаты для гипотезы Антимира. Получается, что из горнила ранней Вселенной уцелеет лишь один антибарион на 1087 фотонов! То есть

число антибарионов \q—&7

число фотонов

Такое совершенно мизерное значение, которое пред­сказывается барион-несимметричной моделью развития Вселенной, не оставляет ни малейшего шанса для поис­ков Антимира. Казалось, для окончательного захороне­ния гипотезы Антимира оставалось совсем «немного», надо было объяснить происхождение избытка барионов в ранней Вселенной. После этого теорию Антимира мож­но было с легким сердцем отправить в кунсткамеру, где хранятся несбывшиеся физические теории типа тепловой жидкости — флогистона или всемирного эфира. И вот в конце 60-х годов был придуман механизм, с помощью ко­торого можно создать «излишек» барионов в молодой Вселенной.

ВЕЩЕСТВО В ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

Итак, в предыдущем разделе, мы обсудили два ва­рианта молодой Вселенной. В первом из них полагалось, что вещества и антивещества было поровну, во втором — делалось предположение о существовании изначально малого избытка барионов над антибарионами. Обе эти схемы исключают возможность «выживания» после Ю-3 секунды с начала расширения Вселенной какого-либо значительного количества антибарионов. Запомним этот факт, непреложно вытекающий из стандартной модели горячей Вселенной. В следующей главе мы дадим ему полное физическое обоснование, а затем попытаемся его опровергнуть и возродить мечту об Антимире, но уже на новом уровне.

Теперь посмотрим, что происходило с веществом — барионами — после 10~3 секунды. В первую очередь нас будет интересовать судьба протонов и нейтронов — ос­новных компонент, из которых построен наш Мир, а точ­нее, атомные ядра всех химических элементов. К момен­ту Ю-3 секунды температура Вселенной составляла при­близительно 50 МэВ, то есть 5'10ИК. Наша Метагалакти­ка — наблюдаемая сегодня часть Вселенной размером около 18 миллиардов световых лет — была сжата тогда до размера одного светового месяца. Число протонов и нейтронов было приблизительно одинаковым. Причем под действием высокоэнергичных лептонов — электронов, позитронов и нейтрино — происходили беспрерывные пе­реходы протонов и нейтронов друг в друга

p + e-;£n + v, p + v ^п + е+.

Но нейтрон чуть тяжелее протона, и лептону «легче» перевести нейтрон в протон, нежели обратно. Поэтому концентрация нейтронов со временем уменьшалась. Так продолжалось до тех пор, пока с начала расширения не прошло 3 минуты 44 секунды

. Этот момент в истории

Вселенной выделен потому, что с него начинается об­разование ядер легких элементов. Нас особо будет инте­ресовать, что именно тогда происходило, так как это име­ет отношение к поискам Антимира.

Вообще говоря, легчайшее ядро — дейтрон — может образовываться в горячей Вселенной не только после первых 3 минут ее существования. Это происходит в та­кой реакции:

n + р ->d + у.

Однако в достаточно молодой Вселенной энергия фо­тонов велика, и они сразу же расщепляют ядро дейтерия обратно на протон и нейтрон. Когда же Вселенная осты­вает настолько, что энергии фотонов уже недостаточны, чтобы разрушить дейтрон, тогда-то и начинается эффек­тивное образование дейтронов, а с ним и других легких ядер. По-научному этот период звучно называется эрой космологического нуклеосинтеза, хотя длится эта эра всего лишь полчаса. Тем не менее значение космологи­ческого нуклеосинтеза трудно переоценить, именно в этот период во вселенской кухне были приготовлены основные полуфабрикаты для изготовления нашего Мира.

Цепочка процессов, протекающих в то время, пока­зана на рис. 40. Мы видим, что протоны сливаются с ней­тронами в дейтроны, затем образуются изотопы гелия (гелий-3) и водорода (тритий). Эти изотопы, в свою оче­редь, «перегорают» в обычный гелий — 4Не. А что же дальше?

А дальше ничего! Оказывается, наш Мир устроен так хитро, что в природе нет стабильного ядра с 5 нуклона­ми. В таблице элементов вслед за гелием, состоящим из

протонов и 2 нейтронов, следует литий-6: 3 протона и

нейтрона. Но литий-6 нельзя получить из гелия-4 путем простого столкновения с одним нуклоном. Другие же реакции с образованием лития сильно подавлены. Поэто­му практически весь процесс космологического нуклео­синтеза кончается образованием гелия-4. Так как для построения гелия требуются два нейтрона, нуклеосинтез идет до тех пор, пока все нейтроны не свяжутся в гелий.


Рис. 40. Основные реакции, протекающие в эпоху нуклеосинтеза