а распределение энергии по спектру соответствует чернотельному излучению с температурой около 3 К. Как уже отмечалось, реликтовое излучение равномерно заполняет все пространство. В современную эпоху плотность энергии реликтового излучения составляет приблизительно 5 • 10-13 эрг/см3, энергия одного фотона около 10-15 эрг, следовательно, в одном кубическом сантиметре содержится 500 фотонов реликтового излучения. Это очень большая величина. Для сравнения напомним, что концентрация атомов водорода — самого распространенного элемента, в котором сосредоточена практически вся «вещественная» масса Вселенной, составляет 3 • 10-7 см-3 (один атом водорода или один протон на несколько кубических метров). Следовательно, отношение числа фотонов к числу частиц вещества порядка 109,т. е. на каждый атом вещества приходится миллиард реликтовых фотонов. Согласно соотношению Эйнштейна эквивалентности массы и энергии
(Е = тс2), плотности энергии реликтового излучения εизл = 5 • 10-13 эрг/см-3 соответствует плотность массы ρизл = 5 • 10-34 г/см3, что приблизительно в 1000 раз меньше, чем плотность массы обычного вещества ρвещ = 3 • 10-31 г/см3. Таким образом, хотя по числу частиц реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем частиц вещества, они дают вклад в плотность Вселенной в 1000 раз меньший. Эго относится к современной эпохе. Но так было не всегда. Дело в том, что при расширении Вселенной концентрация частиц и плотность вещества убывает пропорционально
a-3 (напомним, что
а — масштабный фактор); концентрация фотонов также убывает пропорционально
а-3, но, помимо этого, из-за красного смещения частота излучения и, следовательно, энергия (
E =
hv) каждого фотона убывает как
a-1. Значит, плотность излучения убывает пропорционально
a-4, т. е. быстрее, чем для вещества. Отношение ρвещ/ρизл ∝
a(
t). В современную эпоху оно равно 103, но с течением времени, по мере возрастания масштабного фактора из-за расширения Вселенной, эта величина будет расти. Напротив, в прошлом отношение ρвещ/ρизл было меньше, чем сейчас. В эпоху, когда масштабный фактор (а значит, и размер Метагалактики) был в 1000 раз меньше современного значения, плотность вещества равнялась плотности излучения. Это соответствует эпохе, когда с начала расширения Вселенной прошло около 300 000 лет. При
t > 3 • 105 лет ρвещ > ρизл , плотность Вселенной определяется веществом; этот период развития Вселенной, в который живем и мы с вами, называется
эрой вещества. При
t < 3 • 105 лет ρизл > ρвещ , плотность Вселенной определяется излучением; соответствующая эра в развитии Вселенной называется
эрой излучения. Выше речь шла о плотности вещества и излучения. Что касается отношения числа фотонов к числу частиц вещества, то, поскольку концентрация и тех и других с расширением Вселенной падает как а-3, отношение nфот/nнукл со временем не меняется и равно 109. Возникает вопрос — почему это отношение столь велико? Ведь, если в горячей Вселенной на раннем этапе все частицы находились в равновесии, то число частиц разного типа должно было быть примерно равным. Но как только мы задумываемся над этим вопросом, возникает другой, гораздо более важный вопрос — а почему, вообще, существует вещество в нашей Вселенной? Ведь если когда-то все частицы находились в равновесии, то число частиц должно было равняться числу античастиц. Почему же тогда образовалось только вещество, куда делось антивещество? Конечно, для нас это обстоятельство весьма благоприятно, ибо если бы во Вселенной существовало в равных количествах вещество и антивещество, то в какой-то момент оно должно было аннигилировать, и тогда весь Мир состоял бы только из излучения. Разгадка этих проблем, как оказалось, кроется в самых ранних этапах эволюции Вселенной, когда после сингулярности прошли ничтожные доли секунды.
Как близко можно подойти к сингулярности, двигаясь назад во времени, и как определить условия в ранней Вселенной? Теория горячей Вселенной дает простые соотношения для масштабного фактора, плотности и температуры в любой момент времени для ранней Вселенной:
или:
Здесь t — время в секундах, отсчитываемое от сингулярности, t0 — современный момент времени.
В своей замечательной книге «Первые три минуты»[138], изданной в 1977 г., С. Вайнберг начинает историю Вселенной с момента t = 0,01 с, когда температура составляла 1011 К (в 10 тыс. раз выше, чем в недрах Солнца). Современные космологи идут гораздо дальше, они начинают с момента t = 3 • 10-44с. Это так называемое планковское время. Дальше к сингулярности двигаться уже невозможно, ибо здесь начинают сказываться квантовые эффекты, и привычное нам понятие времени теряет смысл. Мы начнем описание истории горячей Вселенной с момента t = 10-34с; более ранний период будет рассмотрен в следующем пункте.
При t = 10-34 с температура составляла 1027 К, радиус Метагалактики равнялся 30 см (!), а плотность составляла 1074 г/см3. Температуру Т = 1027 К называют температурой великого объединения, ибо при этой температуре стирается различие между тремя видами физических взаимодействий — электромагнитным, сильным и слабым. Существует Единое физическое взаимодействие, проявлением которого при меньшей температуре является электрослабое и сильное взаимодействие. Но здесь нам придется сделать небольшой экскурс в физику элементарных частиц.
Все многообразие физических сил и взаимодействий, существующих в природе, сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие — сила всемирного тяготения действует на все тела и частицы. По сравнению с другими взаимодействиями, оно очень слабо и в мире элементарных частиц практически не сказывается. Тяготение становится заметным на больших расстояниях и для тел достаточно большой массы. Электромагнитные силы определяют взаимодействие между заряженными частицами. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как совершенно независимые. Но затем была установлена тесная взаимосвязь между ними: движение электрических зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла электрические и магнитные явления были объединены в единое электромагнитное взаимодействие. Слабые взаимодействия характеризуют все типы процессов с элементарными частицами, в которых принимают участие нейтрино. Они, в частности, ответственны за распад нейтрона и, следовательно, за процессы радиоактивного распада. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые изменяют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодействие меняет внутреннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях слабое взаимодействие
