Черные дыры и вселенная - Игорь Новиков

Горизонт видимости для каждого наблюдателя свой, где бы он ни был во Вселенной. Все точки однородной Вселенной равноправны. С течением времени горизонт каждого наблюдателя расширяется, к наблюдателю успевает доходить свет от все новых областей Вселенной. За 100 лет радиус горизонта увеличивается на одну стомиллионную долю своей величины.

Еще одно замечание. Вблизи самого горизонта мы в принципе должны видеть вещество в далеком прошлом, когда плотность его была гораздо больше сегодняшней. Отдельных объектов тогда не было, а вещество было непрозрачным для излучения. К этому вопросу мы еще вернемся.

Глава 3. Горячая Вселенная

Физика начáла расширения

В предыдущих главах мы познакомились с механикой расширения Вселенной. Но механика не исчерпывает всего, что нас интересует. На разных этапах расширения Вселенной в ней протекали различные физические процессы. Мы знаем, что 15 миллиардов лет назад, в начале расширения, плотность материи во Вселенной была огромна. Естественно, что тогда протекали физические процессы, совсем непохожие на те, что мы наблюдаем сегодня. Они в прошлом определили сегодняшнее состояние мира и сделали возможным, в частности, существование жизни.

Физика процессов в начале расширения вызывает огромный интерес. Но можем ли мы что-либо сказать об этих процессах? Ведь речь идет буквально о первых мгновениях расширения, а все это происходило 15 миллиардов лет назад!

Оказывается, можем.

Дело в том, что происходившие в первые секунды с начала расширения процессы имели столь важные последствия для сегодняшней Вселенной, оставили столь явные «следы», что по ним можно восстановить характер самих процессов.

Важнейшими из них были ядерные реакции между элементарными частицами, проходившие при большой плотности. Такие реакции возможны лишь в самом начале расширения, когда плотности огромны. Конечно, никаких нейтральных атомов и даже сложных атомных ядер тогда не было, химические элементы образовались позднее в результате ядерных реакций. Но до этого, в еще более ранней Вселенной, был период, когда образовались сами элементарные частицы. Здесь речь идет уже о временах, исчисляемых невообразимо малыми мгновениями — 10–43 секунды, когда плотности были больше 1093 г/см3. Такая плотность в невообразимое число раз больше плотности атомного ядра, которая «всего» 10–15 г/см3. Наверное, столь обескураживающие числа вызывают невольную улыбку у читателя. Разве можно что-либо узнать о процессах в таких условиях, которые абсолютно невоспроизводимы в земных лабораториях?

Много лет назад, когда мы писали научную монографию с академиком Я. Зельдовичем и приводили в ней классификацию процессов, протекавших в подобных условиях чудовищных плотностей, мы вспомнили пародию Аркадия Аверченко: «История мидян темна и неизвестна, ученые делят ее тем не менее на три периода: первый, о котором ничего не известно; второй — о котором известно почти столько же, сколько о первом, и третий, который последовал за двумя предыдущими».

За прошедшие с тех пор почти двадцать лет физика шагнула далеко вперед, и теперь даже о процессах формирования элементарных частиц в расширяющейся Вселенной уже можно кое-что сказать.

Что же касается ядерных реакцией, происходивших с первой по трехсотую секунды после начала расширения, то о них можно поведать почти все с полной определенностью. Дело в том, что следствием ядерных реакций явилось образование химических элементов во Вселенной.

Расчет ядерных реакций дает возможность предсказать химический состав вещества, из которого формируются галактики, звезды, межзвездный газ. Сравнение предсказания с наблюдениями позволяет выявить эти реакции, а главное — выяснить физические условия, в которых они происходили. Мы оставим до дальнейших параграфов выяснение вопроса об экзотических процессах при 1093 г/см3, и посмотрим сначала, как протекали ядерные реакции во Вселенной в первые секунды и к чему они привели.

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.