11.7.3. Первые секунды Вселенной

Ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях.

Следующий этап рождения Вселенной связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10^-34 с, а температура около 10²⁷ К. В этот момент Космос был заполнен «супом» из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими составляющими экзотического «супа» были, вероятно, сверхмассивные частицы — переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и У-частицы (см. 10.3.5). Именно эти частицы привели к асимметрии в соотно­шении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при падении Т < 10²⁷ К Х- и У- бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. Но распад час­тиц и античастиц идет по-разному (с нарушением барионного числа). В результате появляется небольшой избыток частиц над античасти­цами. По оценкам, эта асимметрия характеризуется отношением (10⁹+ 1): 10⁹, т.е. на каждый миллиард античастиц рождается милли­ард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он игра­ет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчеза­ло. «Почти», но не все, поскольку имелся избыток вещества над анти­веществом в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный оста­ток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы практически «пустым», т.е. заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности при­роды. Именно в эти самые ранние моменты развития Вселенной сложилась ее современная структура.

Таким образом, подавляющая часть вещества, возникшего в про­цессе Большого Взрыва, аннигилировала в первые секунды Вселен­ной, а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) Исчезнув, оно превратилось в энергию: в процессе аннигиляции на каждый уцелевший электрон (или протон) возникало около миллиарда гамма-квантов. В результате расширения Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав к настоящему времени так называемое фоновое тепловое излучение, которое составляет значительную часть энер­гии Вселенной.

Спустя 10 ^-12 с после Большого Взрыва температура была столь высока (Т > 10¹⁵ К), что тепловой энергии оказалось достаточно для рождения всех известных частиц и античастиц, причем такой плотности, что установилось равновесие, при котором энергия равномер­но распределялась между всеми видами частиц. На этой стадии харак­тер вещества во Вселенной резко отличался от всего, что мы можем непосредственно наблюдать: вещество представляло собой «кварковую жидкость»; адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия; такие частицы, как элек­троны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде; кварки, лептоны, бозоны не обладают массой покоя, как и фотон; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Z-частиц.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10¹⁵ К вызывает вне­запный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образо­вание льда. В этот момент нарушается калибровочная симметрия, а электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмас­совым. Результатом этого перехода явилось возникновение извест­ных нам частиц — электронов, нейтрино, фотонов и кварков, кото­рые теперь вполне различимы.

Следующий фазовый переход происходит через одну миллисекун­ду после Большого Взрыва при Т = 10¹³ К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы). С этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия, который и начинается через несколько минут после Большого Взрыва.

При Т ≈ 2 • 10¹⁰ К и t ≈ 0,2 с электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной, сохранившись до наших дней, только их энергия уменьшается из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтри­но должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.