Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Как мы увидели, нейтроны слегка тяжелее протонов; эти 0,14 % различия в массе можно сравнить с сотней граммов разницы в весе двух взрослых дядек по восемьдесят килограммов каждый. Но все же протоны и нейтроны должны находиться в состоянии теплового равновесия, и поэтому на каждого приходится равная энергия. Из-за разницы в массе популяция нейтронов, следовательно, должна быть чуть-чуть менее многочисленна, чем популяция протонов. Пока температура колоссальна, эта маленькая деталь приводит к незначительным последствиям. Но по мере того, как распределяемая тепловая энергия уменьшается, эта разница становится все более и более важной. И за счет чего сократится популяция нейтронов и размножатся недостающие протоны? Для этого нужны реакции, расходующие нейтроны, вроде слабого распада, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино, или какие-то другие эффекты такого же рода. Вывод: нейтринный газ, участвующий в этом процессе, должен сравняться по температуре с фотонами и адронной материей, с которыми он взаимодействует.

Этот динамический процесс прерывается в момент времени t, равный одной секунде. К этому моменту температура уже упала настолько, что для поддержания теплового равновесия имеется по шесть протонов на каждый нейтрон, и дальше ситуация развивается по нарастающей. Температура падает теперь с такой скоростью, что нейтрино не успевают поддерживать нужную для равновесного распределения тепловой энергии между протонами и нейтронами скорость реакций. До сих пор элементарные частицы всех типов находились в равновесии. Но сейчас наступает время Капоретто[20]: непоправимо проиграв сражение, нейтрино оставляют поле боя. Колоссальная популяция деликатных и вежливых элементарных частиц прощается с первичной материей, и они начинают бесцельно носиться по Вселенной, храня лишь воспоминания о температуре, которая когда-то у них была общей со всеми другими частицами, до момента окончательного с ними разрыва.

С этого мгновения во Вселенной, все более разреженной, нейтрино уходят от всякого влияния со стороны всей остальной материи, и они больше никогда не вернутся к тому тесному союзу, что был с ней изначально. Они будут бесконечно скитаться миллиарды лет, присутствуя при рождении звезд и галактик, проникая сквозь самые протяженные скопления вещества со своей обычной несравненной деликатностью, оставаясь практически незаметными.

истории крупнейшим поражением итальянской армии.

В будущем с ними будет происходить что-то совсем другое, но память о прошлом навсегда останется в их температуре нестираемым воспоминанием о золотом веке – той раскаленной и волшебной эпохе, когда и они тоже могли играть в прятки со всей прочей материей, свободно связываясь с множеством других частиц. Сегодня, 13,8 миллиарда лет спустя, старейшие космологические нейтрино – мы так их называем, чтобы отличать от молодых нейтрино, образуемых в звездах, – все еще продолжают свои блуждания. Согласно нашим вычислениям, каждый кубический сантиметр во Вселенной должен содержать их не менее шестисот, что не так уж и мало, однако нейтрино взаимодействуют с материей настолько слабо, что пока еще никому не удалось получить доказательств их существования. И все же мы уверены, что они все еще здесь, вокруг нас, и мы даже знаем, какая у них температура: из-за расширения Вселенной она должна была опуститься до 1,95 кельвина.

Пока поиски следов космологических нейтрино не принесли значимых результатов. Поныне мы располагаем только косвенными указаниями на их присутствие. Но в тот день, когда какая-то новая методика позволит их обнаружить, станет возможным изучить и все характеристики космологического фона нейтрино, предсказанного всеми моделями Большого взрыва. В этом море скромных и вежливых частиц, все еще нас окружающих, прячутся решающие секреты, которые помогут нам понять, что же происходило во Вселенной, когда погасла свеча ее первой секунды.

В сердце звезды

На излете первой минуты на каждый нейтрон все еще приходится по семь протонов, а плотность энергии уже упала до такой степени, что протоны с нейтронами начали сливаться друг с другом, образуя ядра самых легких элементов.

Это принципиальный момент, так как уровни плотности энергии и температуры теперь примерно соответствуют уровням плотности энергии и температуры в звездах. Протоны и нейтроны, сталкиваясь с высокими энергиями, могут вступать в реакции с образованием связанных состояний благодаря сильному взаимодействию. Когда протон сливается с нейтроном, возникает ядро дейтерия; если два ядра дейтерия сливаются друг с другом, рождается первое ядро гелия. Этот легкий элемент, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов, получил свое имя от греческого бога солнца; и в самом деле – весь водород, питающий эту гигантскую ядерную печь, рано или поздно кончит тем, что превратится в гелий.

Чтобы возникло ядро гелия, надо слить вместе два ядра дейтерия. Этот процесс идет с большой легкостью: ядро с четырьмя нуклонами внутри исключительно стабильно, потому что в нем на каждый компонент приходится наибольшая энергия связи. Все остающиеся свободными нейтроны включаются в эту кадриль[21] и выбывают из игры. По этой причине масса ядер гелия достигает почти 25 % от общей массы. Остальные 75 % приходятся на протоны, остающиеся “холостыми” и готовые трансформироваться в атомы водорода, как только обстоятельства это позволят; попутно то тут, то там образуются более тяжелые ядра лития и бериллия.

На формирование всех первичных ядер во Вселенной понадобилось всего три минуты. После этого момента ни температуры, ни плотности уже не будет хватать на поддержание ядерных реакций. Оно и к лучшему, так как, если бы процесс продолжился, Вселенная израсходовала бы слишком много водорода на формирование более тяжелых элементов. Продлись он всего десять минут, никакого водорода не осталось бы вообще.

Распространенность гелия во Вселенной – это еще одно подтверждение теории Большого взрыва. Этот элемент образуется также в сердце звезд, но без первичного гелия по счетам было бы не расплатиться. Даже всех звезд во Вселенной, сжигающих водород уже почти четырнадцать миллиардов лет, не хватило бы, чтобы произвести столько гелия, сколько мы наблюдаем.

Так что созданные ядра уже больше не изменяются на протяжении миллиардов лет, образуя даже сегодня большую часть существующих ядер. К ним добавятся, много позже, ядра тяжелых элементов периодической таблицы, которые родятся в гигантских ядерных печах наиболее массивных звезд.

Теоретические расчеты показывают, что, если бы разница масс нейтрона и протона была чуть больше, последствия были бы ужасными. Чистое ничто, взмах крыльев бабочки, уже повлекло бы за собой череду катастроф. Разница в массах существенно изменила бы пропорцию между количеством нейтронов и протонов, и в результате мы получили бы значительно больше гелия и меньше водорода. И тогда не было бы избытка водорода для запуска ядерных реакций в звездах. Вселенная навсегда бы осталась пустынной темной бездной. Унылой