Книга: Черные дыры и вселенная

Холодное или горячее начало?

Есть две принципиальные возможности для условий, в которых протекало начало расширения вещества Вселенной. Это вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Мы увидим, что следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Исторически первым еще в 30-е годы нашего века была рассмотрена возможность холодного начала. Тогда ядерная физика находилась еще в зачаточном состоянии, не было теории, которая могла бы надежно рассчитать ядерные реакции. В этих условиях принималось, что вещество Вселенной было сначала в виде холодных нейтронов.

Позже выяснилось, что такое предположение приводит к противоречию с наблюдениями.

Дело заключается в следующем. Нейтрон — нестабильная частица. В свободном состоянии он распадается за время около 15 минут на протон, электрон и антинейтрино. Поэтому в ходе расширения Вселенной нейтроны стали бы распадаться, стали бы возникать протоны. Возникший протон стал бы соединяться с еще оставшимся нейтроном, давая ядро атома дейтерия. Затем дейтерий стал бы соединяться с дейтерием и так далее. Реакция усложнения атомных ядер стала бы быстро идти и продолжаться до тех пор, пока не образовалась бы альфа-частица — ядро атома гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, практически не возникали бы. Таким образом, все вещество превратилось бы в гелий. Этот вывод резко противоречит наблюдениям. Известно, что молодые звезды и межзвездный газ состоят в основном из водорода, а не из гелия.

Таким образом, наблюдения распространенности химических элементов в природе отвергают гипотезу о холодном начале расширения Вселенной.

В 1948 году появилась работа Г. Гамова, Р. Альфера и Р. Хермана, в которой предлагался «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной. Предполагалось, что в начале расширения температура вещества была весьма велика.

Основная цель авторов гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы, рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и изотопов.

Почему первоначально предполагалось, что все химические элементы должны образоваться в начале расширения Вселенной? Дело в том, что в 40-е годы ошибочно считали, что время, протекшее с начала расширения, составляет 1–4 миллиарда лет (вместо 15 миллиардов лет по современным оценкам). Как мы знаем, это было связано с заниженными оценками расстояний до галактик и поэтому с завышением постоянной Хаббла. Сравнивая это время (1–4) · 10⁹ лет с возрастом Земли — порядка (4–6) · 10⁹ лет, авторы предполагали, что даже Земля и планеты (не говоря уже о Солнце и звездах) сконцентрировались из первичного вещества, и все химические элементы образовались на ранней стадии расширения Вселенной, ибо больше они нигде не успевали образоваться.

Теперь мы знаем, что время расширения Вселенной 15 · 10⁹ лет. Земля образовалась не из первичного вещества, а из вещества, прошедшего стадию ядерных реакций (нуклеосинтеза) в звездах. Теория нуклеосинтеза в звездах успешно объясняет основные законы распространенности элементов в предположении, что первые звезды образовались из вещества, состоящего главным образом из смеси водорода и гелия. Вещество из старых звезд первого поколения, обогащенное тяжелыми элементами, выбрасывалось в пространство. Из этого вещества возникали новые звезды, планеты. Таким образом, необходимость объяснения происхождения всех элементов (в том числе и тяжелых — железа, свинца и т. д.) на ранней стадии расширения Вселенной отпала. Но суть гипотезы горячей Вселенной оказалась правильной.

Многие исследователи отмечали, что содержание гелия в звездах и газе нашей Галактики гораздо больше, чем это можно объяснить нуклеосинтезом в звездах. (Подробнее об этом говорится далее.) Следовательно, синтез гелия должен происходить на раннем этапе расширения Вселенной. Но все же основным веществом Вселенной и сейчас является водород.

В теории, предложенной Г. Гамовым и его соавторами, оказывается, что расширяющееся вещество Вселенной превращается в смесь, большая часть которой составляет водород (70 процентов) и меньшая — гелий (30 процентов). Из этого вещества позже и формируются звезды и галактики. Почему же в теории горячей Вселенной все вещество не превращается в гелий, как это было в варианте начала в виде холодной нейтронной жидкости?

Все дело именно в том, что вещество было горячим. В горячем веществе имеется много энергичных фотонов. Имеются там также протоны и нейтроны, которые стремятся соединиться в дейтерий. Однако фотоны разбивают дейтерий, который образуется при слиянии протона и нейтрона, обрывая в самом начале цепочку реакций, ведущую к синтезу гелия. Когда Вселенная, расширяясь, достаточно охлаждается (до температуры меньше миллиарда градусов), то некоторое количество дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Мы подробно рассмотрим этот процесс далее.

Теория горячей Вселенной дает определенные предсказания о содержании гелия в дозвездном веществе. Как уже упоминалось, распространенность гелия должна быть около 30 процентов по массе.

На гипотезе Гамова исследования разных вариантов начала расширения Вселенной не закончились. В начале 60-х годов были сделаны попытки вернуться к модернизированному варианту холодной Вселенной, который предсказывал превращение всего вещества не в гелий (как в прежнем варианте), а в чистый водород. При этом предполагалось, что остальные элементы формировались гораздо позже уже в звездах.

Первоначально теории горячей и холодной Вселенной связывались с попытками дать полное объяснение распространенности химических элементов в дозвездном веществе. Попытки выяснить, какая теория верна, сначала направлялись в основном по пути анализа наблюдений распространенности химических элементов. Однако такие наблюдения и в особенности их анализ очень сложны и зависят от многих предположений. Если бы теории можно было проверять только по распространенности химических элементов во Вселенной, то выявить истину было бы сложно. Ведь не так-то просто разобраться, сколько гелия и других элементов синтезировано в ядерных процессах в звездах, а сколько осталось от процессов в ранней Вселенной.

К счастью, есть другой способ проверки. Теория горячей Вселенной дает важнейшее наблюдательное предсказание, которое является прямым следствием «горячести». Это предсказание существования во Вселенной в нашу эпоху электромагнитного излучения, оставшегося от той эпохи, когда вещество в прошлом было плотным и горячим.

В процессе космологического расширения вещества температура его падает, падает и температура излучения, но все же и к настоящему моменту должно остаться электромагнитное излучение с температурой (в разных вариантах теории) от долей градуса до 20–30 градусов по Кельвину (физики говорят — кельвинов).

Такое излучение, которое должно остаться с древних эпох эволюции Вселенной, если она действительно была горячей, получило название реликтового. Это название было впервые предложено советским астрофизиком И. Шкловским. Электромагнитное излучение со столь малой температурой представляет собой радиоволны с длиной волны в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Решающим экспериментом по проверке того, была ли Вселенная горячей или холодной, являются, следовательно, поиски такого излучения. Если оно есть, Вселенная была горячей, если его нет — холодной.