В тот момент, когда мы сделали первый стоп-кадр, в мироздании присутствовала небольшая примесь нуклонов: около одного протона или нейтрона на миллиард фотонов, электронов или нейтрино. Чтобы вычислить, в каких количествах в ранней Вселенной образовывались те или иные химические элементы, нужно знать соотношение в ней протонов и нейтронов. Последние тяжелее первых примерно на 1,293 миллиона электронвольт. Однако характерная энергия электронов, позитронов и других частиц при температуре 1011 К – 10 миллионов электронвольт (постоянная Больцмана, умноженная на температуру) – значительно выше этого значения. Следовательно, благодаря частым столкновениям нейтронов и протонов с гораздо более многочисленными электронами, позитронами и другими частицами протоны будут постоянно превращаться в нейтроны и наоборот. В это время происходят главным образом следующие реакции:
Из антинейтрино и протона получаются позитрон и нейтрон (и наоборот).
Из нейтрино и нейтрона получаются электрон и протон (и наоборот).
Поскольку мы предполагаем, что лептонное число и заряд в расчете на один фотон очень малы, нейтрино оказывается почти столько же, сколько антинейтрино, а электронов – столько же, сколько позитронов. Поэтому протон становится нейтроном так же часто, как нейтрон протоном. (О радиоактивном распаде нейтрона пока можно забыть: он занимает около 15 минут, а у нас счет времени идет на сотые доли секунды.) Соответственно тепловое равновесие приводит к тому, что протоны и нейтроны на первом стоп-кадре присутствуют в приблизительно равных количествах. Нуклоны пока не связаны в ядра. Типичная энергия, необходимая, чтобы вдребезги разбить атомное ядро, составляет от шести до восьми миллионов электронвольт – меньше, чем характерные тепловые энергии при 1011 К. В результате сложные ядра разрушаются, едва образовавшись.
Сразу приходит в голову вопрос: а какого размера была Вселенная в те далекие времена? К сожалению, мы не вполне уверены, есть ли смысл задавать его. Как уже говорилось в главе 2, сейчас космос, вероятно, бесконечен. Значит, он бесконечен и на первом стоп-кадре, и останется таковым всегда. С другой стороны, возможно, длина экватора Вселенной конечна и составляет, по некоторым оценкам, около 125 миллиардов световых лет. (Длина экватора Вселенной – это расстояние, которое надо пройти, чтобы, путешествуя все время по прямой, прибыть в ту же точку, откуда вышли. В приведенной оценке использовано современное значение постоянной Хаббла и сделано предположение, что плотность в два раза больше критической.) Поскольку температура падает обратно пропорционально размеру, длина экватора запечатленной на первом стоп-кадре Вселенной меньше сегодняшнего значения во столько раз, во сколько температура тогда (1011 К) была выше, чем сейчас (3 К). То есть приблизительно четыре световых года. Но какова бы ни была длина экватора ранней Вселенной – будь то несколько световых лет или бесконечность, – наши представления о первых минутах космической эволюции в общих чертах останутся в силе.
СТОП-КАДР № 2. Температура во Вселенной – 30 миллиардов градусов (3×1010 К). С момента предыдущего стоп-кадра прошло 0,11 с. Качественно ничего не поменялось. По-прежнему преобладают электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино и фотоны. Все они находятся в тепловом равновесии, и температура еще не опускалась ниже их порога. Следовательно, плотность энергии упала просто как температура в 4-й степени и в данный момент в 30 миллионов раз превышает массу покоя обычной воды. Скорость же расширения уменьшается как квадрат температуры, поэтому характерное время расширения растянулось приблизительно до 0,2 с. Небольшая примесь нуклонов все еще остается в свободном виде и в ядра не собирается. При этом в условиях пониженной температуры превращения относительно тяжелых ядер в более легкие протоны происходят чаще, чем переход последних в нейтроны. В итоге в балансе нуклонов нейтроны теперь занимают 38 %, а протоны – 62 %.
СТОП-КАДР № 3. Температура во Вселенной – 10 миллиардов градусов (1010 К). После первого стоп-кадра прошла 1,09 с. Примерно в этот момент из-за уменьшения плотности и температуры длина свободного пробега нейтрино и антинейтрино падает настолько, что они начинают распространяться без ограничений и выходят из теплового равновесия с электронами, позитронами и фотонами. На этом их роль в нашей истории исчерпана, хотя их энергия и будет продолжать служить одним из источников гравитационного поля Вселенной. С выходом нейтрино из теплового равновесия мало что меняется. (До их отделения типичная длина волны нейтрино обратно пропорциональна температуре. Поскольку последняя обратно пропорциональна размеру Вселенной, то длина волны растет пропорционально этому размеру. После отделения нейтрино распространяются свободно, но из-за красного смещения их длина волны по-прежнему увеличивается пропорционально размеру Вселенной. Отсюда видно: точный момент отделения нейтрино не важен. И это очень кстати, ибо он зависит от параметров теории взаимодействия нейтрино, которые до конца не известны.)
Полная плотность энергии уменьшилась по сравнению с предыдущим стоп-кадром как четвертая степень отношения температур и теперь эквивалентна массовой плотности, превышающей плотность воды в 380 тысяч раз. Соответственно характерное время расширения Вселенной увеличилось примерно до двух секунд. Температура теперь всего в два раза превышает пороговую для электронов и позитронов, и они начинают аннигилировать чуть более часто, чем рождаться из излучения.
Для того чтобы нуклоны образовывали ядра на сколько-нибудь продолжительное время, все еще слишком жарко. А в протонно-нейтронном секторе с уменьшением температуры силы распределились следующим образом: нейтронов – 24 %, протонов – 76 %.
СТОП-КАДР № 4. Теперь температура во Вселенной – 3 миллиарда градусов (3 × 109 К). Со времени начала показа прошло 13,82 с. Общее состояние – уже под температурным порогом электронов и позитронов, поэтому они начинают быстро освобождать космическую арену. Благодаря выделяющейся энергии космос охлаждается медленнее. Соответственно нейтрино, до которых эта энергия не доходит, оказываются на 8 % холоднее электронов, позитронов и фотонов. Здесь и далее под температурой Вселенной мы будем понимать температуру фотонов. Поскольку электроны и позитроны исчезают, плотность энергии в космосе падает несколько сильнее, чем если бы она просто уменьшалась пропорционально четвертой степени температуры.
Уже достаточно прохладно для того, чтобы могли образовываться стабильные ядра вроде гелия (4He), но возникают они не напрямую. Дело в том, что Вселенная по-прежнему стремительно расширяется, и сложное ядро может образоваться только в цепочке частых парных столкновений. Например, протон, соединяясь с нейтроном, образует ядро тяжелого водорода (дейтерия), а избытки энергии и импульса уносятся фотоном. Далее ядро дейтерия может встретить на своем пути протон или нейтрон. В первом случае появляется ядро легкого изотопа гелия – гелия-3 (3He), состоящее из двух протонов и одного нейтрона, а во втором – тяжелого изотопа водорода трития (3H), содержащего один протон и два нейтрона. Наконец, гелий-3 сталкивается с нейтроном (или же ядро трития сталкивается с протоном), и получается ядро обычного гелия (4He), состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Но чтобы запустить всю эту цепочку, необходимо сделать первый шаг – образовать дейтерий.
