§ 3. Холодное и горячее начало

Итак, задача выбора начальных условий свелась к выбору возможных значений двух чисел, L и S.

Первое возможное предположение S = 0 и L = 0. Это предположение соответствует тому, что при отсутствии конкретной теории сверхплотного состояния в тридцатые годы нашего века все это вещество Вселенной представлялось в виде холодных нейтронов. Конечно в то время еще не было теории, которая надежно позволила бы определить ядерные реакции при этих предположениях.

Как мы уже знаем теперь, такой вариант начального состава вещества приводит к противоречию с наблюдениями. Дело в том, что в ходе расширения нейтроны n будут распадаться на протоны р, электроны e^- и антинейтрино :

(3)

Образующийся протон будет соединяться с нейтроном, давая дейтрон D. Реакции усложнения атомных ядер будут продолжаться до тех пор, пока не образуется α-частица - ядро атома гелия. Таким образом, все вещество превратится 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 отвергают холодную (так как энтропия S = 0) нейтронную гипотезу первичного вещества.

Другой вариант начальных условий был предложен в работах физика Гамова и его соавторов в сороковых-пятидесятых годах. Это так называемый "горячий" вариант начальной стадии расширения Вселенной. Предполагалось, что на начальной стадии температура была весьма высока и энтропия Вселенной велика: S >> 1. При большой энтропии S величина лептонного заряда L не играет роли, если только она не слишком велика, реакции от нее не зависят (уточнение этого утверждения см. далее). Будем считать L = 0. 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 сороковые годы ошибочно считали, что время, протекшее с начала расширения, составляет 2 ÷ 4 миллиарда лет (вместо 10-20,миллиардов лет по современным оценкам). Как мы знаем (см. гл. 1) это было связано с заниженными оценками расстояний до галактик и поэтому с завышением постоянной Хаббла. Сравнивая это время (2 ÷ 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) сконденсировались 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 (10 ÷ 20)*10⁹ лет. Земля образовалась не из первичного вещества, а из вещества, прошедшего стадию нуклеосинтеза в звездах. Теория нуклеосинтеза в звездах успешно объясняет основные законы распространенности элементов в предположении, что звезды образовались из вещества, состоящего главным образом из водорода или смеси водорода и гелия. Таким образом, необходимость объяснения происхождения всех элементов (в том числе и тяжелых - железа, свинца и т. д.) на ранней стадии расширения Вселенной отпала.

С другой стороны, 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 в § 7 гл. 3). Следовательно, синтез гелия должен происходить на раннем этапе расширения Вселенной. Но все же основным веществом Вселенной и сейчас является водород. Почему же в теории горячей Вселенной все вещество не превращается в гелий, как это было в варианте холодной нейтронной жидкости (5 = 0, L = 0)?

Все дело именно в том, что вещество было горячим. В горячем веществе при S >> 1 имеется много энергичных фотонов. Они то и 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 в § 6 гл. 3.

Теория "горячей Вселенной" дает определенные предсказания о содержании гелия в дозвездном веществе. Как мы покажем дальше, распространенность гелия должна быть около 30% по массе. Наконец, в начале 60-х годов советским физиком Я. Б. Зельдовичем было замечено, что предположение о "горячести" вещества вовсе не обязательно для того, чтобы избежать превращения всего вещества в гелий. Можно оставаться в рамках холодной модели, но считать, что лептонный заряд не равен нулю.

В этой модели предполагалось, что вещество в начале космологического расширения состоит из протонов, электронов и нейтрино в равных количествах. Лептонный заряд L равен двум; энтропия S равна нулю. Равное число электронов и протонов необходимо из условия электронейтральности вещества.

Если бы не было нейтрино, то при высокой плотности протоны захватили бы электроны и превратились бы в нейтроны и нейтрино:

(4)

Но мы видели выше (когда разбирали случай S = 0, L = 0), что вариант с нейтронами не годится, так как ведет к превращению всего вещества в гелий, что противоречит наблюдениям.

Смысл гипотезы введения нейтрино в "холодной" модели заключается в том, что при высокой плотности в холодном веществе превращение протонов в нейтроны согласно уравнению (4) не происходит, если уже есть нейтрино. Эти нейтрино не позволяют возникать новым нейтрино и этот процесс оказывается запрещенным.

Протоны при расширении ни во что не превращаются. Таким образом, холодное вещество при наличии нейтрино в ходе расширения превращается в почти чистый водород. Остальные элементы, согласно гипотезе, образовывались 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. Но теория "горячей Вселенной" дает важнейшее наблюдательное предсказание, которое является прямым следствием "горячести" - большой энтропии вещества. Это - предсказание существования в нашу эпоху реликтового электромагнитного излучения во Вселенной, 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 градусов до 20-30 К.

Такое излучение, которое должно остаться с древних эпох эволюции Вселенной, если она действительно была горячей, получило название реликтового^*. 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.

^* (Это название было впервые предложено советским астрофизиком И. С. Шкловским.)