10
секунд после начала расширения
Первичный хаос
Барионная составляющая материи находится в состоянии чего-то типа супа, в котором кварки, антикварки и глюоны бешено мечутся в беспрерывном клокотании аннигиляций и материализаций.
После невероятной фазы инфляции Вселенная замедляет скорость расширения до гораздо более скромных значений, уже вполне сравнимых с теми, которые будут действовать в последующие миллиарды лет. Вселенная одновременно продолжает остывать, но ее температура все еще выше тысяч миллиарда градусов. Барионная составляющая материи находится в состоянии, называемом «кварк-глюонной плазмой». Термин «плазма» применяется здесь по аналогии с облаками электронов, в которых плавают ионы и атомные ядра, образующиеся, к примеру, в пламени или во время удара молнии.
Эта плазма, получается, состояла только из элементарных частиц стандартной модели (кварки и антикварки), подвергавшихся сильному ядерному взаимодействию, носителями которого служат глюоны. В менее экстремальных физических условиях кварки навсегда «засунуты» внутрь либо стабильных (таких, как протоны или нейтроны), либо нестабильных (таких, как пионы) частиц. Однако этот первичный суп был настолько горяч, что термическое возбуждение оказалось мощнее пут сильного взаимодействия: кварки, антикварки и глюоны не были ничем ограничены и действовали практически свободно. Кварк-глюонная плазма – это Грааль физиков, изучающих микрочастицы; она царила во Вселенной сразу после Большого взрыва, сейчас же ее можно обнаружить только в недрах сверхплотных звезд.
Лучшим способом исследовать ее свойства было бы создать ее искусственно. Чтобы получить такую плазму, надо сверхплотную материю подвергнуть сверхвысоким температурам (более тысячи миллиарда градусов). Физики считают, что подобные экстремальные физические условия возникают при столкновении массивных атомных ядер (например, ионов свинца), несущихся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Подобные условия создаются как раз в ходе экспериментов на детекторе ALICE (A Large Ion Collider Experiment), установленном на одной из четырех точек столкновений пучков Большого адронного коллайдера. В экспериментальной установке ALICE задействовано сложное устройство, способное собирать и фиксировать данные об изменении физических параметров сталкивающихся массивных ионов. Изучая многочисленные частицы (почти двадцать тысяч), образующиеся при столкновении ионов свинца, физики исследуют эфемерную кварк-глюонную плазму, которая возникает во время столкновения, и таким образом пытаются понять процесс образования барионной материи на заре существования Вселенной.
? СМ. ТАКЖЕ
Инфляция (10
секунд после начала расширения)
Возникновение материи (10
секунд после начала расширения)
10
секунд после начала расширения
Материя побеждает антиматерию
Вселенная уже достаточно охладилась, чтобы кварки, антикварки и глюоны начали связываться друг с другом, образуя протоны и их античастицы – основные кирпичики материи.
За одну миллионную секунды после Большого взрыва температура Вселенной снизилась настолько, что стала недостаточной для сохранения барионной составляющей материи в виде кварк-глюонной плазмы. И победило сильное взаимодействие, связав кварки между собой и образовав композитные частицы, мезоны и барионы – последние состоят из трех кварков. Самые известные из этих элементарных частиц – протоны и нейтроны, из них состоит вся видимая часть Вселенной (в отличие от темной материи). Но поскольку каждой электрически заряженной частице соответствует противоположно заряженная античастица такой же массы, сформировалось и огромное количество антибарионов, которые только и ждали, как бы встретиться со своими двойниками. Встреча бариона с антибарионом вызывает их немедленную взаимную аннигиляцию, процесс, высвобождающий энергию массы двух барионов в виде фотонов или иных частиц.
Период образования барионов – бариогенез – ознаменовал период мощной аннигиляции. Обратная реакция, во время которой фотон материализовал пару протон – антипротон, создавала равновесие потерь до тех пор, пока фотоны обладали достаточной для этого энергией. Однако, поскольку расширение понижало среднюю энергию фотонов, в процессе материализации их образовывалось все меньше и меньше, в то время как аннигиляция продолжалась в том же неутомимом ритме. Барионы могли бы исчезнуть полностью, если бы асимметрия законов физики не нарушила равенство первичного хаоса. Оказалось, что в нем насчитывался миллиард и один кварк с одной стороны и миллиард антикварков с другой.
Условия, обеспечивающие подобное состояние небольшого преобладания материи над антиматерией, были окончательно сформулированы в 1967 году русским физиком Андреем Сахаровым. В начале 1960-х годов он создал концепцию водородной Царь-бомбы, самого мощного оружия массового поражения из когда-либо существовавших, но потом резко изменил направление своих исследований в области теоретической физики и стал заниматься космологией – задолго до того, как начал бороться за права человека, гражданские свободы и реформы в СССР…
Незначительный дисбаланс между барионами и антибарионами привел к тому, что последние практически исчезли в ходе аннигиляции – их осталось не более одной миллиардной от первичного количества. Через секунду после Большого взрыва аналогичный процесс привел практически к полному исчезновению антиматерии: расширение способствовало тому, что энергия фотонов опустилась ниже порога, необходимого для производства пар электрон – позитрон, вызвав полное исчезновение позитронов и оставив лишь небольшую кучку электронов.
? СМ. ТАКЖЕ
Первичный хаос (10
секунд после начала расширения)
Антиматерия в центре Галактики (–24 650)
3 минуты после начала расширения
Образование гелия
Вселенная достаточно плотна и горяча для начала процесса первичного нуклеосинтеза – протоны и нейтроны начинают слипаться, образуя ядра атомов гелия.
Через три минуты после Большого взрыва Вселенная была очень плотной и очень горячей средой, в которой могли выжить только такие элементарные частицы, как нуклоны – протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие, которому они подчиняются, притянуло их друг к другу, образовав скрепленные ядерными силами первые атомные ядра. При этом все частицы эволюционировали в среде, где в изобилии носились фотоны, образовавшиеся в результате только что закончившейся фазы массовых аннигиляций и обладавшие очень большим запасом энергии. Этой энергии было еще вполне достаточно для разрушения самых первых ядер. Однако расширение Вселенной продолжалось, и энергия фотонов постепенно понизилась до значений меньших, чем внутренняя энергия ядер, даже самых неустойчивых – таких, к примеру, как ядро дейтерия, изотопа водорода, в котором соединены протон и нейтрон. Поэтому, когда вновь образующиеся ядра стали устойчивыми, Вселенная превратилась в гигантский реактор ядерного синтеза, и большинство свободных нейтронов постепенно стали частью ядер гелия.
Ядро гелия, как правило, состоит из двух протонов и двух нейтронов – эта структура характерна для гелия-4, одного из самых стабильных изотопов гелия. К началу синтеза во Вселенной на один нейтрон приходилось семь протонов, так как они менее массивны и для их образования нужно меньше энергии. В ходе фазы первичного нуклеосинтеза все свободные протоны оказались связанными, и доля гелия-4 составила примерно 4 % от количества всех ядер. Когда же образование гелия постепенно закончилось, сильное взаимодействие продолжило нуклеосинтез, пытаясь прилепить еще по одному нейтрону к каждому ядру гелия-4, связывая два ядра гелия-4 в один. Однако все ядра, слепленные подобным образом, оказались нестабильны и быстро развалились. Первичный нуклеосинтез на этом вынужденно приостановился, и создание более тяжелых элементов, таких как углерод или кислород, было отложено на более позднее время.
В конце 1940-х годов русский физик Георгий Гамов, эмигрировавший в США, первым предположил, взяв за основу концепцию первоначального атома Леметра, что ядерные реакции могли идти в первичной Вселенной даже на очень ранних этапах. В 1948 году в соавторстве со своим учеником Ральфом Альфером Гамов опубликовал фундаментальную статью о первичном нуклеосинтезе – «Происхождение химических элементов». Гамов внес в список авторов и Ханса Бете. Несмотря на то что этот американский физик немецкого происхождения над статьей почти не работал, Гамов сделал это исключительно ради шуточной игры слов, поскольку три имени физиков (Альфер, Бете, Гамов) напоминали о начальных буквах алфавита: альфа, бета и гамма…
? СМ. ТАКЖЕ
Материя побеждает антиматерию (10
секунд после начала расширения)
Окончание первичного ядерного синтеза (20 минут после начала расширения)
20 минут после начала расширения
Окончание первичного ядерного синтеза
Распространение атомных ядер по Вселенной замерло до начала образования первых звезд. Вселенная была на 92 % заполнена водородом, на – 8 % гелием; к ним добавилась и щепотка других легких ядер.
В течение каких-то двадцати минут первичный нуклеосинтез заметным образом изменил состав Вселенной. В самом начале этой фазы во Вселенной носились только барионы – композитные частицы из трех кварков, свободные нейтроны и протоны. Эти последние одновременно представляли собой ядра атомов водорода; их можно было бы назвать «водород-1», по имени самого известного изотопа водорода. В самом начале водород-1 преобладал во Вселенной (92 % всех ядер), а затем немного уступил гелию (8 % всех ядер), в основном – разновидности гелий-4.
Пропорциональное содержание гелия, повсюду наблюдаемое во Вселенной и сегодня, представляет собой одно из самых надежных доказательств в пользу теории Большого взрыва. Те процессы ядерного синтеза, которые продолжаются внутри звезд, не могут произвести количества гелия, необходимого для объяснения подобного изобилия.
Помимо гелия-4, первичный ядерный синтез оставил по себе и другие изотопы легких элементов, но в совсем незначительных количествах – например, гелий-3 или литий-7. Больше всего осталось водорода-2 (одна стотысячная). Следует отметить, что водород – единственный элемент, чьи изотопы обладают привилегией иметь собственное название, отличающее их от других элементов: водород-2 именуется дейтерием. Его обилие к концу фазы первичного ядерного синтеза определялось прежде всего плотностью барионов. Измеряя количество дейтерия сегодня, космологи пытаются оценить пропорциональное количество барионов во Вселенной. Однако дейтерий – элемент весьма деликатный: его нестабильность сама по себе повлияла на скорость первичного синтеза гелия, а его быстрый распад в недрах звезд затрудняет измерение его количества.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=68517235&lfrom=174836202) на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
СПб.: Вита-Нова, 2016. (Здесь и далее прим. ред.)
Все книги на сайте предоставены для ознакомления и защищены авторским правом
