Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

Гамов построили первую модель ранней Вселенной, то была умозрительная модель, попытка наполнить конкретным физическим содержанием теорию расширяющейся Вселенной Фридмана. Такое утверждение может показаться кощунственным в отношении Фридмана и в отношении Эйнштейна, но слово «конкретным» в предыдущей фразе делает ее полностью соответствующим действительности. Ведь Общая теория относительности, теория тяготения Эйнштейна оперирует только общими понятиями «материя», «энергия» и «пространство — время». В уравнениях Общей теории относительности присутствуют только общие количественные характеристики: масса, объединяющая массу вещества и массу энергии, и параметры, связывающие кривизну «пространства — времени» с распределением массы в пространстве. Для этой теории не существенно, в каком виде присутствуют материя и энергия, определяющие структуру «пространства — времени». Естественно, что подобной общностью обладает и решение Фридмана.

До работ Гамова и его сотрудников в ходу были звучные, но не наполненные содержанием высказывания о том, что в начале фридмановского расширения Вселенная была «первичным атомом» или каплей ядерной жидкости.

Гамов, Альфер и Бете исходили из первоначальной гипотезы Гамова о том, что в начальный период своего существования Вселенная была заполнена чрезвычайно плотным однородным газом. Он состоял из всех известных в то время элементарных частиц, находящихся в тепловом равновесии с излучением при очень высокой температуре и взаимодействующих между собой посредством полей (электромагнитного и гравитационного), тоже находящихся в тепловом равновесии между собой и с элементарными частицами. Авторы сознательно избегали обсуждение вопроса: была ли Вселенная вначале сосредоточена в точке? Они начинали свой анализ с того момента, когда Вселенная занимала малый, но не бесконечно малый объем. Предполагалось, что этот газ с самого начала заполнял все пространство и расширялся вместе с ним. Они считали, что все известные законы физики не изменяются со временем и действовали с самого начала расширения Вселенной.

Теория исходила из того, что расширение Вселенной вначале протекало чрезвычайно быстро, взрывоподобно, что дало название теории — Большой взрыв. В ходе расширения величина плотности вещества и энергии, усредненная по большим областям, убывала, оставаясь почти однородной. Расчеты основывались на предположении, что, несмотря на быстрое развитие Большого взрыва, быстрое расширение «пространства — времени», изменения всех характеристик вещества и энергии, за исключением плотности и температуры, происходили относительно медленно и не влияли на изменения плотности и температуры.

Теперь приходится лишь удивляться, как первоначальный вариант теории Большого взрыва позволил получить несколько важнейших результатов, впоследствии подтвержденных астрономическими наблюдениями! Ведь со временем выяснилось: эта теория основывалась на ошибочном значении постоянной Хаббла. Мы уже упоминали о том, что значение этой величины, определенное первоначально Хабблом, в 10 раз превосходило значение, полученное позднее с применением более точных методов. Величина этой постоянной, известная в 1946 году, привела Гамова к выводу о том, что с момента Большого взрыва, с начала фридмановского расширения Вселенной, прошло «всего» 2 миллиарда лет. Это противоречило возрасту старейших земных пород, оцененному в то время геофизиками величиной около 4 миллиардов лет. «Небольшое» — всего в два раза — различие казалось Гамову несущественным, так как обе величины были оценены недостаточно точно. Но близость этих величин приводила к неизбежному выводу о том, что Земля и Солнце сконденсировались из первичного вещества когда-то в начальных стадиях Большого взрыва. Пришлось принять, что к тому времени в ходе Большого взрыва уже образовались все химические элементы вплоть до урана. Это казалось возможным только в условиях предельно высоких температур. Так, по существу, утвердилось мнение о том, что Большой взрыв происходил в условиях чрезвычайно высокой температуры, а теорию Гамова иногда называют теорией горячей Вселенной.

Дальнейшее уточнение теории Большого взрыва произведено Альфером и Гамовым вместе с Р. Германом. Теперь они предположили, что Большой взрыв произошел, когда Вселенная состояла только из нейтронов. В то время уже было известно, что массивные звезды, сжимаясь в конце своей эволюции, приходят в состояние, когда практически все их вещество преобразуется в нейтроны.

Исходя из этого, можно было предположить, что и все вещество Вселенной, первоначально сжатое до очень высокой плотности при огромной температуре, состояло из нейтронов. Затем произошел Большой взрыв, нейтронная Вселенная начала стремительно расширяться. При этом нейтроны постепенно превращались в протоны, электроны и антинейтрино, как это и теперь происходит со свободными нейтронами.

В процессе расширения плотность и температура быстро падали. В некоторый момент температура опустилась настолько, что случайно столкнувшиеся нейтрон и протон уже могли удержаться вместе, образуя дейтон — ядро атома дейтерия. Затем, путем последовательных присоединений нейтронов и протонов, возникли ядра всех известных элементов.

Альфер и Герман установили, что в результате таких последовательных захватов можно прийти к наблюдаемому ныне соотношению количества различных легких элементов. Но необходима жесткая предпосылка: первоначальное отношение числа фотонов к числу ядерных частиц должно было быть порядка миллиарда. Учитывая это и воспользовавшись определенной в то время астрофизиками плотностью ядерных частиц в космическом пространстве, они предсказали, что от ранней Вселенной должно остаться электромагнитное излучение с температурой 5К. (Напомню, что буква К означает градусы Кельвина). А на каждое ядро гелия должно приходиться по 10 протонов.

Это предсказание прошло совершенно незамеченным.

Вскоре выяснилось, что вычисления Альфера, Германа и Гамова были не совсем правильными. В 1950 году Е. Хаяши показал, что следует отказаться от предположения о том, что в начале эволюции Вселенная содержала только нейтроны и что они распадались по законам радиоактивного распада. Более вероятной казалась первоначальная гипотеза Гамова о том, что в первые мгновения Большого взрыва существовала плотная горячая плазма. Пришлось принять, что эта плазма содержала нейтроны и протоны, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино. В 1953 году Альфер, Герман и Дж. Фоллин (младший) пересчитали модель в соответствии с уточнением Хаяши. Они вновь пришли к соотношению содержания гелия и водорода, совпадавшему с наблюдениями астрономов (одно ядро гелия на каждые десять протонов). Но за дальнейшим синтезом химических элементов они не проследили. Возможно, их остановило указание Э. Ферми и А. Туркевича, обративших внимание на отсутствие в природе ядер с пятью и с восемью ядерными частицами. Из этого следовало, что такие ядра очень неустойчивы. Поэтому невозможно ожидать, что в горячей плазме простым присоединением нейтронов или протонов рождаются ядра более массивные, чем гипотетическое ядро бериллия-8.

В 1952 году Э. Сольпитер показал, как, несмотря на отсутствие ядра с пятью ядерными частицами, путем последовательного присоединения нейтронов и протонов в не слишком горячей плазме могут возникать не только ядра изотопов водорода и гелия, но и ядра изотопов лития.

Современная теория нуклеосинтеза в ранней Вселенной, приводящая на определенной стадии развития после Большого взрыва к возникновению легких ядер, была создана лишь в 1964 году Я. Б.