Реакции между элементарными частицами в горячей Вселенной

Теория горячей Вселенной позволяет справиться с одной из загадок, оставшихся "в наследство" от теории звездной эволюции. Как уже говорилось, существование почти всех химических элементов во Вселенной объясняется термоядерными реакциями в недрах звезд и во время вспышек сверхновых. И только гелий, второй по распространенности элемент после водорода (примерно 25% плотности обычного вещества Вселенной приходится на гелий, или 1/10 от числа атомов водорода), не находит своего объяснения. Казалось бы, здесь все просто: энергия звезд главной последовательности возникает при термоядерных реакциях превращения водорода в гелий. Однако оценим, сколько гелия могло возникнуть в звездах за все время эволюции Галактики. Светимость Млечного Пути составляет приблизительно 10³⁷ Дж/c, и если она была постоянной за время жизни Галактики (примерно 10 млрд. лет), то за все это время выделилось бы всего 3·10⁵⁴ Дж. Если вся энергия выделяется в результате превращения водорода в гелий (самое благоприятное предположение), то, с учетом того, что при образовании одного ядра гелия выделяется примерно 2.5·10^-12 Дж, могло бы образоваться только 10⁴⁰ кг гелия, что составляет всего примерно 1/40 долю массы Галактики (которая равна 4·10⁴¹ кг), или 1/160 по числу атомов.

В действительности, теория горячей Вселенной давно уже решила эту проблему. Дело в том, что в ранней Вселенной также должны были происходить термоядерные реакции (нуклеосинтез). Для них необходимо, чтобы температура вещества была очень большой, поскольку температура пропорциональна кинетической энергии частиц, а только частицы с очень большой скоростью движения могут преодолеть кулоновское отталкивание между ядрами, имеющими одинаковый знак. С другой стороны, температура должна быть не слишком высокой, поскольку в противном случае атомные ядра будут разваливаться при взаимных столкновениях на свои составные части — нейтроны и протоны.

Расчеты (первые из которых были выполнены Гамовым, Альфером и Херманом) показали, что в ранней Вселенной термоядерные реакции были возможны, когда ее температура была 10⁹—10¹⁰ К, а возраст 1-300 секунд. В ходе этих реакций во всем пространстве примерно одна четвертая часть массы барионного вещества Вселенной перешла в форму гелия. В ходе этих реакций образовалось также небольшое количество дейтерия (тяжелого водорода), гелия-3 (легкого изотопа гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона, в то время как у обычного гелия ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов) и лития-7. Более тяжелые ядра образоваться не успели.

Предсказанное количество гелия (около 25% по массе) находится в очень хорошем согласии с содержанием этого элемента в звездах и межзвездной среде. Наряду с открытием реликтового излучения этот факт является убедительным подтверждением теории горячей Вселенной.

Что касается других легких ядер космологического происхождения, то их содержание в сегодняшней Вселенной известно еще недостаточно хорошо, но, во всяком случае, имеющиеся данные не противоречат этой теории. Наиболее интересен с этой точки зрения дейтерий. Дело в том, что его количество во Вселенной очень чувствительно к плотности барионного вещества - оно должно быть тем меньше, чем выше была концентрация протонов и нейтронов в первичной плазме (рис. 5.4.1). Таким образом, данные об обилии дейтерия в звездах и межзвездной среде могут помочь в установлении важного космологического параметра — средней плотности обычного вещества во Вселенной. Однако поскольку в недрах звезд дейтерий разрушается, надо знать количество дейтерия в очень раннюю эпоху, когда состав вещества еще не успел измениться из-за трудноучитываемого влияния звездной эволюции. А для этого необходимо исследовать максимально далекие объекты Вселенной — галактики с большими z и квазары. Наиболее надежные данные по этому вопросу получили в 1998 году американские астрономы Берлс и Тайтлер при исследовании спектров квазаров с помощью 10-метрового телескопа им. Кека. По их данным, плотность обычного вещества составляет (3.8±0.4)·10^-31 . Это в несколько раз превосходит плотность светящейся материи, т.е. того вещества, которое входит в состав звезд. Вероятно, невидимые барионы входят в состав межгалактического газа.

Рис. 5.4.1. Предсказанное теорией Большого Взрыва обилие (доля массы всего обычного, т.е. барионного вещества) дейтерия, гелия-3 и гелия-4 в зависимости от полной плотности обычного вещества во Вселенной. Широкая вертикальная полоса показывает интервал, в котором данные по всем легким элементам согласуются между собой. Узкая полоса показывает интервал, в котором заключена плотность обычного вещества по данным о содержании дейтерия. Из статьи Turner and Tyson, 1998.

Когда возраст Вселенной был меньше секунды, в ней происходили различные реакции между частицами, античастицами и фотонами. При столкновении частицы и античастицы происходила аннигиляция: эти частицы взаимно уничтожаются, а вся их энергия переходит во вспышку света (испускание фотонов). С другой стороны, возможен и обратный процесс: фотон может самопроизвольно породить пару частица — античастица. В период, когда проходили эти реакции, вещество Вселенной находилось в состоянии теплового равновесия, и процессы аннигиляции и фоторождения пар в точности уравновешивали друг друга.

Заметим, что в настоящее время во Вселенной почти не наблюдается антивещества, поэтому и в ту далекую эпоху число частиц должно было немного превосходить число античастиц (барионная асимметрия Вселенной). В дальнейшем подавляющее число частиц и античастиц аннигилировали, породив огромное количество излучения, а небольшое количество нескомпенсированных античастиц и является тем веществом, из которого потом образовались звезды, планеты и, в конце концов, люди.

Глубокую гипотезу о происхождении барионной асимметрии высказал в 1967 году Андрей Дмитриевич Сахаров (1921-1989). По его мнению, избыток числа частиц во Вселенной вызван совместным действием следующих трех факторов:

1. Несохранение барионного заряда (проявлением чего является возможность спонтанного распада протона, предсказанная Сахаровым);

1. Отсутствие симметрии в свойствах частиц и античастиц;

1. Резкое нарушение термодинамического равновесия в некоторые моменты сверхранней расширяющейся Вселенной.

В настоящее время физики-теоретики в основном согласны с гипотезой Сахарова, хотя конкретный механизм возникновения барионной асимметрии еще не известен (точнее, есть несколько различных сценариев ее возникновения, которые следуют из различных вариантов теории Великого объединения сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий).

В настоящее время ученые строят теории сверхранней Вселенной, возраст которой не превосходил одну десятимиллиардную долю секунды. Очень популярна в настоящее время так называемая теория космической инфляции

При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции. Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы - камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега).
Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае - снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10^-33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10^-27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio - «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение

продолжается всего 10^-35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10²⁷ раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии - дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.
Гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф - несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы засчет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы: ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.
Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.
Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме 10^-99 см³. Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. И менно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.
Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера). Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.
Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть - ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.
Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10⁸⁰ кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

Поиск по сайту: