Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
приходящаяся на каждое нейтрино, падала в соответствии с уменьшением
температуры Вселенной).
При температуре 3000 К электроны и протоны начали объединяться в атомы
водорода. Количество свободных электронов заметно уменьшилось, а значит
уменьшилось количество частиц, с которыми могли взаимодействовать фотоны,
и электромагнитное излучение тоже "оторвалось" от вещества. Это то самое
реликтовое излучение, которое сейчас имеет температуру ЗК. Исследование
электромагнитного излучения несколько приблизило нас к точке начального
взрыва, но недостаточно. Продвинуться ближе электромагнитное излучение не
позволяет, потому что до момента "отрыва" фотоны находились в состоянии
термодинамического равновесия со всеми остальными частицами, а при этом
они "ничего не могут помнить" о своем прошлом.
Дальнейшее продвижение основывается на соотношении количеств водорода и
гелия. Реакция превращения водорода в гелий идет через несколько стадий.
Непосредственное превращение невозможно, потому что вероятность
одновременной встречи двух протонов и двух нейтронов ничтожно мала.
Реакция должна проходить через промежуточные стадии, прежде всего, через
образование дейтронов. Энергия связи дейтрона d намного меньше, чем
энергия связи гелия. Чтобы разрушить дейтрон, нужны фотоны с меньшей
энергией, а значит образование дейтронов - а потом гелия - стало
возможным только при сравнительно низких температурах.
Посмотрим, как выглядела эволюция Вселенной в течение первых микросекунд,
секунд и минут после сингулярности (т. е. начального момента), положившей
начало Вселенной.
Начнем с 0,01 с. Температура Вселенной была в это время равна 10ПК.
Вселенная находилась в термодинамическом равновесии и представляла собой
"кашу" изо всех существующих частиц. Плотность энергии составляла ~ 4 •
109 кг/л (при расчете плотности энергии массу надо переводить в энергию
по обычной формуле). При такой плотности энергии нейтрино успевали
взаимодействовать со всеми остальными частицами и находились в тепловом
равновесии с ними. При этом происходили реакции:
Ve +Р <-> е+ + п,
460
Глава 16
Эти реакции происходили одинаково часто, потому что энергия нейтрино при
этой температуре (10 МэВ) существенно превосходит разность масс нейтрона
и протона. Распадом нейтрона можно пренебречь. Число нейтронов равнялось
числу протонов.
Следующий шаг - к температуре 3-Ю10К. Возраст Вселенной 0,11 с. Никаких
качественных изменений не произошло, но доля нейтронов упала до 38%,
потому что реакции перехода более тяжелых нейтронов в более легкие
протоны стали происходить чаще, чем обратные реакции.
Третий шаг - переход к температуре Ю10К. Возраст Вселенной составляет
1,09 с. Плотность энергии упала настолько, что нейтрино начинают выпадать
из равновесия с остальными частицами. Они перестают играть роль в
реакциях, поддерживающих термодинамическое равновесие остальных частиц.
Основная доля энергии приходится теперь на долю электронов, позитронов и
фотонов. Плотность энергии упала до ~ 3 • 105 кг/л. Доля нейтронов
уменьшилась до 24%.
Четвертый шаг - к температуре 3-109К. Возраст Вселенной - 14 с. Электроны
и позитроны начинают аннигилировать, их количество резко уменьшается, и
главными компонентами Вселенной становятся фотоны и нейтрино. Доля
нейтронов падает до 17%.
Пятый шаг - к температуре 109К. Доля нейтронов - 14%. Возраст Вселенной
несколько более 3 минут. Образование гелия все еще невозможно, потому что
дейтрон обладает очень небольшой (2,22 МэВ) энергией связи.
Образование гелия происходит несколько позднее, когда доля нейтронов
падает до 13%. При образовании гелия связывается весь наличный запас
нейтронов. Доля гелия (по массе) составляет поэтому 13 • 2 = = 26%. Эта
доля сохранилась до настоящего времени. Казалось бы, после этого
открылась дорога к синтезу всех остальных элементов. Это, однако, не так.
Следующая трудность заключается в отсутствии ядер с массовыми числами 5 и
8. Это затянуло процесс нуклеосинтеза, и он стал возможным только при
температурах, близких к температурам центральной части звезд, где условия
неизмеримо более стабильны, чем в остывающей Вселенной. Сейчас считается,
что основной нуклеосинтез происходил именно в звездах.
Мы начали наше обсуждение с 0,01 с. Правильность расчетов подтверждается
наличием реликтового излучения и данными, полученными для
распространенности гелия. Можно ли продвинуться еще ближе к
сингулярности? Теория сейчас позволяет это сделать до 10-43 с. Считается,
что ранее этого момента ("планковский момент времени") теория гравитации
Эйнштейна несправедлива. Чтобы рассмотреть еще меньшие времена, нужна
квантовая теория гравитации, которая пока не создана.
Есть еще один вопрос, на который хотелось бы знать ответ: почему
§88. Ускорители заряженных частиц
461
после всех процессов аннигиляции оказалось, что Вселенная - или, по
крайней мере, ближайшая к нам ее часть - состоит из вещества, а не из
антивещества. Ясного ответа на этот вопрос не существует. Поскольку
