Начиная с температуры 1010 К, характерное время этих реакций близко к возрасту Метагалактики, и они приостанавливаются. Расчеты показывают, что к этому моменту концентрация нейтронов стала меньше концентрации протонов из-за небольшой разности их энергий покоя.
Этот контраст "замораживался" практически до тех пор, пока температура не уменьшилась до 109 К. После этого вся последовательность взаимопревращения нуклонов в ядра 4Не, 3Не, 2Н, 3Н осуществлялась в два этапа. На первом при температурах плазмы порядка 109 К происходило слияние протонов и нейтронов в ядра дейтерия n+p -> 2Н+Y. Расчеты показывают, что до тех пор, пока практически все протоны и нейтроны не связались в ядра дейтерии, гелия-3 ( 2Н+р 3Не+Y ) и трития (2Н+n 3Н+Y ), синтез 4Не происходил крайне неэффективно. После этого в действие вступили столкновения ядер дейтерия между собой и с ядрами 3Н и 3Не, приведшие к появлению ядер гелия-4, причем длительность этапа синтеза 4Не крайне мала.
Как видно, уже при температуре 5•107 К сформировался практически весь первичный химический состав вещества: около 23 - 26% нуклонов связалось в ядра 4Не; 74 - 77% по массе составляет водород и лишь 0,01 - 0,0001% -дейтерий, гелий-3 и тритий. Заслуживает внимания то обстоятельство, что распространенность дейтерия во Вселенной весьма чувствительна к современной плотности вещества. При изменении рm(0) от 1,4•10-31 до 7•1030 г/см3 его относительная концентрация (2Н/Н) уменьшается практически на семь порядков. В меньшей мере от величины современной плотности барионов зависит массовое содержание 4Не, однако, и оно возрастает примерно в 2 раза.
Этой особенностью можно воспользоваться для предсказания сегодняшней плотности вещества во Вселенной, если известна наблюдаемая распространенность космических гелия-4 и дейтерия. Однако значительным препятствием на пути реализации этой программы является искажение первичного химического состава вещества на стадии существования галактик и звезд. Например, в Солнечной системе измерения дают примерно 20 - 26%-ную вариацию массовой концентрации 4Не относительно водорода. В солнечном ветре эта величина колеблется еще значительнее - от 15 до 30%.
Спектроскопические измерения линий поглощения и эмиссии гелия в атмосферах, ближайших к Солнцу звезд, свидетельствуют также о наличии вариаций в его массовой концентрации от 10 до 40 %. Присутствие 4Не обнаруживают и в наиболее старых объектах нашей Галактики - шаровых скоплениях, где его распространенность колеблется от 26 до 28%. Все это, естественно, снижает преимущества использования данных о галактическом содержании 4Не для определения величины современной плотности вещества, совместимой с моделью Большого взрыва.
В этом аспекте более информативными оказываются данные, получаемые из сопоставления космологической продукции дейтерия и его современной распространенности в Галактике. В отличие от 4Не этот изотоп лишь выгорает в ходе образования звезд, и, следовательно, сегодня речь может идти лишь об определении нижней границы его плотности массы. Наблюдения линий поглощения атомарного дейтерия в межзвездной среде, а также регистрация излучения молекул HD, DCN показывают, что содержание этого изотопа в Галактике составляет примерно в пределах от 0,001 до 0,00001% от массы водорода. Это соответствует современной плотности вещества рm(0)=1,4•10-31 г/см3.
Любопытно, что, помимо объяснения химического состава ранней Метагалактики, теория космологического нуклеосинтеза позволяет получить уникальную информацию о пространственной плотности трудно наблюдаемых частиц, дошедших до эпохи доминирования лептонов от предыдущих этапов космологического расширения. В частности, основываясь на этой теории, можно ограничить число возможных типов нейтрино, которые в последнее время стали объектом пристального внимания космологов.
Еще каких-нибудь 6 - 7 лет назад этот вопрос стоял как бы на втором плане в модели "горячей Вселенной". Считалось, что решающую роль в формировании химического состава догалактического вещества играли электронные нейтрино и антинейтрино и в меньшей степени - мюонные нейтрино Vm, Vm. Эксперимент не давал оснований предполагать, что в природе существуют иные типы слабовзаимодействующих нейтральных лептонов, а космологи предпочитали руководствоваться принципом "бритвы Окаама": entia non sunt multiplicanda praenter necessitatem(" сущности не должны быть умножаемы сверх необходимости").
Ситуация в этом вопросе радикально изменилась после открытия в 1975 г. тяжелого заряженного тау-лептона, которому должен был соответствовать новый тип нейтрино - vt. Сейчас уже не вызывает сомнений, что семейство нейтрино пополнилось новым членом, энергия покоя которого не превышает 250 МэВ. Возникла любопытная ситуация - современные ускорители элементарных частиц приблизились лишь к энергиям порядка 105 МэВ и уже появился новый тип нейтрино. Что кроется за этим порогом энергий? Не ожидает ли нас в будущем катастрофическое увеличение числа членов семейства лептонов по мере проникновения в глубь микромира?
Оказывается, на этот вопрос модель "горячей Вселенной" дает вполне определенный ответ. Если бы в природе, помимо vе, vm, vt существовали новые типы нейтрино, энергии покоя которых не превышали бы 30 - 50 эВ, их роль в период космологического нуклеосинтеза свелась бы к увеличению скорости охлаждения плазмы и, следовательно, изменились бы условия образования химических элементов. Впервые подобная роль слабовзаимодействующих частиц в динамике космологического синтеза легких химических элементов была отмечена в 1969 г. советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом, и за последнее десятилетие уточнялась лишь количественная сторона вопроса.
Расчеты показывают, что если за верхнюю границу распространенности догалактического гелия-4 принять его массовую концентрацию 25%, то неизбежно следует вывод, что все возможные типы нейтрино в природе уже открыты. С некоторой осторожностью, связанной с недостаточной точностью наблюдательных данных о распространенности космических 4Не и 2Н, можно считать, что, помимо vе, vm, vt существует не более еще двух типов новых нейтрино. Это обстоятельство играет существенную роль при анализе проблемы скрытой массы Вселенной.
Итак, в общих чертах мы познакомились с двумя важнейшими эпохами "температурной" истории космологической плазмы, на протяжении которых произошло формирование первичного химического состава вещества и спектра микроволнового реликтового излучения. Однако изложенная выше схема нуждается в существенном дополнении, поскольку в ней не нашел еще отражения факт существования крупномасштабной структуры Вселенной - скоплений и сверхскоплений галактик.
Действительно, после аннигиляции электрон-позитронных пар во Вселенной (T=5•109 К) наиболее распространенным компонентом высокотемпературной космологической плазмы стало электромагнитное излучение, которое после рекомбинации водорода перестало взаимодействовать с веществом. Равновесный характер спектра этого излучения обусловлен существованием продолжительной фазы расширения, когда между фотонами и электронами происходило интенсивное взаимодействие. После рекомбинации водорода и гелия Вселенная должна была оказаться заполненной однородно распределенными веществом и излучением. И сейчас не должно было быть никакой структуры - ни звезд, ни галактик, ни нас. Вполне удручающая картина.
Эти предсказания, очевидно, весьма далеки от наблюдаемого многообразия структурных форм материи во Вселенной. Напрашивается вывод, что для объяснения наблюдаемой структуры, еще на ранних этапах расширения Вселенной должны существовать флуктуации - хотя и малые, но конечные отклонения плотности материи от однородного и изотропного распределения в пространстве.
Большие проблемы Большого взрыва
При внимательном рассмотрении космологическая теория происхождения и структуры вселенной начинает трещать по швам.
Взгляните на усыпанное звездами ночное небо. Как возникли все эти бесчисленные звезды и планеты? Большинство современных ученых, скорее всего, ответит на этот вопрос, сославшись на одну из версий теории "большого взрыва". В соответствии с этой теорией, вначале вся материя Вселенной была сосредоточена в одной точке и разогрета до очень высокой температуры. В некий момент времени произошел ужасающей силы взрыв. В расширяющемся облаке перегретых субатомных частиц постепенно стали формироваться атомы, звезды, галактики, планеты, и, наконец, зародилась жизнь. В настоящее время этот сценарий обрел статус непреложной истины.
Спору нет, теория большого взрыва захватывает воображение и мало кого оставляет равнодушным. И поскольку она как будто основана на фактическом материале и подкреплена математическими выкладками, большинству людей она представляется более приемлемой, чем религиозные объяснения возникновения Вселенной. Однако космологическая теория большого взрыва является лишь последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций механистического мировоззрения, согласно которому мир (и человек в том числе) представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом соответствии с законами физики.
Попытки ученых создать чисто физическую модель происхождения Вселенной основываются на трех постулатах:
1) все явления природы могут быть исчерпывающе объяснены физическими законами, выраженными в математической форме;
2) эти физические законы универсальны и не зависят от времени и места;
3) все основные законы природы просты.
Многие люди принимают эти постулаты как нечто само собой разумеющееся, но на самом деле никто и никогда не мог доказать их истинности, более того, доказать их справедливость далеко не просто. По сути дела, они являются всего-навсего составной частью одного из подходов к описанию реальности. Рассматривая сложнейшие явления, с которыми сталкивается всякий изучающий Вселенную, ученые избрали редукционистский подход. "Давайте, - говорят они, - замерим параметры физических явлений и попробуем описать их с помощью простых и универсальных физических законов". Однако, строго говоря, у нас нет никаких логических оснований заранее отвергать альтернативные подходы к пониманию Вселенной. Нельзя исключить, что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся простому математическому выражению. И тем не менее многие ученые, путая свое понимание Вселенной с ее истинной природой, заранее отвергают альтернативные подходы. Они настаивают на том, что все явления во Вселенной можно описать с помощью простых математических законов. "Мы надеемся уложить все мироздание в простую и короткую формулу, которую можно будет печатать на майках", - утверждает Л. Ледерман, директор Национальной лаборатории ядерной физики им. Ферми в Батавии, штат Иллинойс.