Игорь Новиков - Черные дыры и вселенная
Глава 5. У границ известного
Почему вселенная такая?
Что происходило во Вселенной вблизи самой сингулярности при температурах гораздо выше 1013 кельвинов, рассмотренных нами в предыдущих разделах?
Мы уже познакомились раньше с тем общим методом, которым пытаются выяснить, что происходит вблизи самого начала космологического расширения. Для этого находят «следы» тех процессов, которые тогда происходили. Выше говорилось, что ярким «следом» процессов, происходивших в первые секунды после начала расширения, является химический состав дозвездного вещества — наличие 30 процентов гелия, возникшего в ту далекую эпоху. Теперь надо попытаться отыскать по возможности столь же явные «следы» еще более «древних» процессов.
Оказывается, что этими «следами» являются фундаментальные свойства Вселенной. Начнем с перечисления их, а затем посмотрим, следствием каких процессов они являются и как современная наука пытается объяснить возникновение этих загадочных свойств Вселенной. Мы увидим, что объяснение это поистине удивительно.
Первое загадочное свойство — это огромное количество фотонов реликтового излучения по сравнению с числом тяжелых частиц. Вспомним, что отношение этих чисел есть миллиард к единице. Почему такая гигантская разница?
Вторая загадка — почему Вселенная в больших масштабах очень однородна? Однородность, как мы знаем, надежно устанавливается по наблюдениям реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон и имеющего одинаковую интенсивность (не зависящую от направления). Это означает, что в прошлом, в момент, когда плазма превратилась в нейтральный газ и поэтому стала прозрачной и когда вышли реликтовые фотоны, наблюдаемые нами сегодня, точки, далеко разнесенные в пространстве, имели одинаковую температуру. Для той эпохи каждая такая точка лежала тогда вне горизонта видимости, очерченного вокруг другой точки. Поэтому точки были причинно не связаны, не могли за время расширения Вселенной обменяться сигналами. Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не может даже знать, какая температура у другой? Эта проблема получила название «проблемы горизонта».
Третья загадка — почему сегодня, спустя 10–20 миллиардов лет после начала расширения, плотность материи во Вселенной достаточно близка к критическому значению, а геометрические свойства пространства близки к свойствам плоского пространства? Ведь если в какой-то момент есть отличие плотности вещества от критического значения, то с течением времени отличие это увеличивается. Действительно, равенство плотности критическому значению означает точный баланс скорости расширения и сил тяготения. Если же этот баланс хоть немного нарушен, скажем, в пользу тяготения, то торможение расширения все сильнее будет нарушать баланс с течением времени. Поэтому, если сегодня плотность материи отличается от критической не более чем в несколько раз, то в прошлом тяготение и скорость должны были быть сбалансированы с ювелирной точностью. Можно подсчитать, что спустя секунду после начала расширения баланс мог нарушаться не более чем на одну десятитысячную миллиардной доли процента! Откуда взялась эта ювелирная балансировка?
Наконец, еще одна загадка — почему, несмотря на удивительную однородность Вселенной в очень больших масштабах, в меньших масштабах все же были в прошлом отклонения от однородности, небольшие первичные флуктуации, давшие затем начало галактикам и их системам? Это проблема возникновения первичных флуктуаций, и не каких-либо, а таких, которые в эпоху, близкую к нашей, привели к возникновению отдельных миров.
Ключ к решению этих проблем дали успехи физики элементарных частиц.
Проследим, как этим ключом отпираются запоры, охраняющие сокровенные тайны.
Известны четыре вида физических взаимодействий: сильные (или ядерные), электромагнитные, слабые (обусловливающие, например, радиоактивный распад) и гравитационные. Согласно современным представлениям эти виды взаимодействий проявляются как разные только при сравнительно малых энергиях, а при больших — объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях порядка 102 гигаэлектронвольт (ГэВ), что соответствует температуре 1015 кельвинов, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия. При энергиях около 1014 ГэВ или температуре 1027 кельвинов происходит так называемое «великое объединение», когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Наконец, при энергиях около 1019 ГэВ или температуре 1032 кельвинов, вероятно, к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие («суперобъединение»).
Оставим пока в стороне возможность последнего объединения всех сил и гравитации и рассмотрим, к каким следствиям для космологии ведет теория «великого объединения».
Начнем с первой из перечисленных выше проблем. Читатель, возможно, был несколько удивлен, почему первая проблема считается загадкой. Что тут необыкновенного, если на миллиард реликтовых фотонов приходится одна тяжелая частица?
Необычность этого станет очевидной, если мы отправимся в прошлое к температурам 1013 кельвинов, когда, как мы знаем, все время рождалось и аннигилировало огромное количество пар частиц и античастиц. Среди них были и электроны и позитроны, были протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Причем рожденных таким образом частиц каждого сорта было примерно столько, сколько реликтовых фотонов. «Кипящий котел», который мы рассматривали, содержал примерно одинаковое число частиц всех сортов и их античастиц.
Если бы число тяжелых частиц и античастиц (их называют барионами) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения они бы все проаннигилировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во Вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось! Не осталось бы вещества, из которого потом формировались звезды и планеты и мы с вами.
Но почему-то число частиц и античастиц было не в точности одинаково, но и не сильно отличалось друг от друга. На каждые миллиард пар частиц-античастиц приходилась одна «лишняя» тяжелая частица! Миллиард пар с понижением температуры проаннигилировали, а эта «лишняя» частица осталась. Из таких оставшихся частиц и возник весь окружающий нас сегодня мир — мир звезд, планет, газа.
Опять мы видим какую-то странную ситуацию: миллиард пар и одна лишняя частица. Откуда она взялась и почему одна на миллиард?
В этом и состоит проблема. До недавнего времени считалось, что если «лишней» частицы не было с самого начала, то она и не может возникнуть ни в каких реакциях. Считалось, что неизменным остается «барионный заряд» — так называют разность числа тяжелых частиц и античастиц. Теория «великого объединения» показала, что это не так, есть реакции, которые нарушают закон сохранения барионного заряда. Но в этих реакциях участвуют сверхтяжелые частицы. Это так называемые сверхтяжелые хиггсовские и калибровочные частицы. Такие сверхтяжелые частицы могут рождаться только при очень больших энергиях, поэтому и реакции с изменением барионного числа могут успешно идти только при очень больших энергиях. Для простоты изложения, чтобы показать главную идею, мы будем говорить об одной сверхтяжелой частице — сверхтяжелом X-бозоне. Масса этой частицы в энергетических единицах равна энергии «великого объединения» — 1014 ГэВ (в 1014 раз тяжелее протона), то есть X-бозоны могут эффективно рождаться при столь больших энергиях, соответствующих температуре 1027 кельвинов. Такие температуры были во Вселенной при 10–34 секунды после начала расширения. В это время (и при еще более высоких температурах) реакции с изменением барионного числа были столь же интенсивны, как и другие реакции.
Следующим важным обстоятельством является отсутствие симметрии между частицами и античастицами. Это означает, что темпы реакций с частицами и соответствующих реакций с античастицами, вообще говоря, несколько различны.
Теперь мы можем объяснить возникновение в ходе расширения горячей Вселенной одной «лишней» частицы на миллиард пар частиц-античастиц.
При температурах выше 1027 кельвинов во Вселенной была сверхгорячая смесь всех фундаментальных частиц и точно такого же количества их античастиц, находящихся в термодинамическом равновесии. Никакого избытка «лишних» частиц не было. Если бы не было различия между свойствами частиц и античастиц и не было реакций с несохранением барионного числа, то при расширении Вселенной и падении температуры все пары тяжелых частиц и их античастиц проаннигилировали бы (ведь их одинаковое число!) и во Вселенной не осталось бы к нашему времени ни нейтронов, ни протонов — все превратилось бы в легкие частицы. Не было бы в сегодняшней Вселенной обычного вещества.
