Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

Ядерная физика тогда только начинала развиваться. В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение приводит к противоречию с наблюдениями. Дело заключается в следующем. Нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями. Известно, что большая часть вещества Вселенной состоит из водорода, а не из гелия.

Наблюдения распространенности химических элементов в природе отвергают гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

В 1948 г. в США была опубликована работа Г. Гамова, а затем и другие его работы и работы его коллег Р. Альфера и Р. Германа, в которых предлагался «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной. Основная цель авторов гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы рассматривая ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов.

Стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в начале расширения было в 40-е годы естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2—4 миллиарда лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла. Сравнивая возраст Вселенной в 2—4 миллиарда лет с оценкой возраста Земли — около 4—6 миллиардов лет, приходилось, предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах — процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли, Солнца и других тел уже не было времени.

Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Необходимость объяснения происхождения всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной, отпала. Однако, суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.

С другой стороны, исследования показали, что содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной. Основным же элементом Вселенной, является водород. Его доля по массе составляет примерно 70%. На долю остальных элементов приходится совсем немного.

Основная идея теории Гамова состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 с после начала расширения температура была около 30 миллиардов Кельвинов. В горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами «котла» заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако, реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.

Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда Кельвинов, некоторое количество возникающего дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Расчеты показывают, что к этому моменту доля нейтронов в веществе составляет около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные тяжелые -частицы остались в виде протонов — ядер атомов водорода. Ядерные реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной.

Так теория предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода, как основных химических элементов природы.

На гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 60-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я. Б. Зельдовичем. Он предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Я. Б. Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чисто водородную плазму. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в шестидесятые годы еще очень неопределенными.

Если бы теории ранней Вселенной можно было проверять только по распространенности химических элементов, то выяснить истину было бы сложно. Ведь не так-то просто разобраться сколько элементов, и в частности гелия, синтезировано в звездах, а сколько в ранней Вселенной. По-видимому, еще долго шли бы споры.

Однако, есть другой способ проверки. Теория Гамова предсказывает существование в сегодняшней Вселенной реликтового электромагнитного излучения[3]. Оно должно остаться от эпохи, когда вещество в прошлом было плотным и горячим. В ходе расширения это излучение остыло и сегодня должно иметь температуру 1—30 Кельвинов.

 Электромагнитное излучение со столь малой температурой является радиоволнами сантиметрового и миллиметрового диапазона.

Предсказание реликтового излучения в первых работах Г. Гамова, Р. Альфера, Р. Германа казалось должно было обратить на себя внимание астрофизике а те в свою очередь должны заинтересовать радиоастрономов-наблюдателей с тем, чтобы его попытаться обнаружить.