слабее электромагнитного и тем более сильного (отсюда и его название), но оно значительно сильнее гравитационного взаимодействия. Наконец, сильное взаимодействие характеризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах. Важной особенностью сильных и слабых взаимодействий является то, что они действуют только на очень малых расстояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10-13 см, а радиус действия «слабых» сил порядка 10-16 см. Поэтому в обычных масштабах эти силы не сказываются, здесь действуют только гравитационные и электромагнитные силы.
В соответствии с типами взаимодействий, все элементарные частицы делятся на два больших класса: сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, — лептоны. К последним относятся: электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино (а также соответствующие античастицы). Что касается адронов, то в последние десятилетия было установлено, что они, строго говоря, не являются элементарными частицами: адроны состоят из фундаментальных частиц — кварков. В обычных условиях (т. е. в тех условиях, которые имеют место во Вселенной в современную эпоху) кварки в свободном виде не встречаются, они существуют только в составе адронов. Силы, которые удерживают кварки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию. Адроны, в свою очередь, подразделяются на два типа частиц: мезоны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион — из трех кварков. К барионам относятся протоны, нейтроны и нестабильные частицы — гипероны. Полное число имеющихся в системе барионов минус число антибарионов определяет барионный заряд. Если число барионов равно числу антибарионов, то барионный заряд равен нулю.
Физические взаимодействия осуществляются с помощью особых частиц-переносчиков. Переносчиками гравитационного взаимодействия являются кванты гравитационного поля — гравитоны, переносчиками электромагнитного взаимодействия — фотоны, а переносчиками сильного взаимодействия — глюоны. В отличие от частиц материи — ферминов, к которым относятся и адроны, и лептоны, частицы-переносчики называются бозонами. К ним относятся фотоны, гравитоны, глюоны и другие виды бозонов. Так, переносчиками слабого взаимодействия являются три вида частиц: W+, W- и Z0-бoзoны. Эти частицы обладают большой массой и для их образования надо затратить очень большую энергию. При температуре Т > 1015 К, когда энергия частиц превышает 100 ГэВ, W+, W- и Z0-бoзoны рождаются столь же легко, как и γ-кванты. При этих условиях исчезает различие между слабым и электромагнитным взаимодействиями, и они объединяются в единое электрослабое взаимодействие. При еще более высокой температуре Т = 1027 К, когда энергия частиц составляет 1014 ГэВ, исчезает различие между сильным и электрослабым взаимодействием, и они объединяются в единое универсальное взаимодействие (взаимодействие великого объединения). Переносчиками этого взаимодействия являются сверхтяжелые частицы X и Y-бозоны. С их помощью кварки могут превращаться в лептоны и антикварки, т. е. стирается грань между основными типами элементарных частиц.
Теперь мы можем вернуться к ранней Вселенной в момент, когда от начала расширения прошло 10-34 секунды. При t < 10-34 с температура Т > 1027 К, т. е. больше температуры великого объединения. При такой температуре адроны распадаются на кварки, значит, сильно взаимодействующие частицы существуют только в виде свободных кварков. Вселенная состоит из кварков, лептонов и фотонов. Все частицы находятся в равновесии, кварки свободно переходят в лептоны и наоборот, частицы переходят в античастицы. Число частиц равно числу античастиц, в том числе число кварков равно числу антикварков. Полный электрический заряд и барионный заряд равны нулю. Эта чудовищно горячая динамичная смесь взаимопревращающихся частиц и есть та Первичная «Огненная» Субстанция Физического Мира, из которой, в конце концов, возникает известная нам Вселенная со всем многообразием существующих в ней форм материи. Рассмотрим главные этапы эволюции горячей Вселенной.
При t > 10-34 с температура падает ниже 1027 К. При такой температуре тяжелые X-бозоны не образуются, а существующие начинают распадаться. Теперь уже кварки не могут превращаться в лептоны, происходит разделение великого взаимодействия на сильное и электрослабое. Одновременно, благодаря несимметрии в свойствах частиц и античастиц, при распаде Х-бозонов нарушается равновесие между кварками и антикварками. Возникает избыточный барионный заряд, равный 10~9 на одну частицу. Это значит, что число барионов на одну миллиардную часть превосходит число антибарионов. Но именно эта ничтожная разница в числе барионов и антибарионов приводит впоследствии к возникновению мира из вещества. Как это происходит?
Прежде всего при температуре порядка 3 • 1012 К кварки объединяются в ядерные частицы — образуются протоны и нейтроны. При этом барионный заряд сохраняется, т. е. число нуклонов[139] на одну миллиардную превышает число антинуклонов. Так как полный электрический заряд остается равным нулю, то имеется также небольшой избыток электронов над позитронами порядка 10-9, отрицательный электрический заряд которых компенсирует положительный заряд избыточных протонов. Этот избыток электронов возник одновременно с возникновением избыточного барионного заряда. Почти сразу же после образования ядерных частиц при Т ≈ 1012 К (t = 10-4 с) происходит аннигиляция нуклонов и антинуклонов. При этом остаются только избыточные нуклоны, для которых не хватило соответствующих античастиц. Эти избыточные нуклоны и образуют основу современного вещества Вселенной. Если бы не было этого небольшого числа избыточных нуклонов, мир бы сейчас был практически «пустым» (т. е. лишенным вещества). Так как основная масса нуклонов аннигилировала, образовав кванты электромагнитного излучения, то отношение числа оставшихся частиц к фотонам nфот/nнукл = 10-9. Это как раз та величина, которая наблюдается в современной Вселенной, что является свидетельством правильности нарисованной картины.
В течение всего периода до аннигиляции нуклонов основная масса Вселенной была сосредоточена в адронах. Поэтому этот период получил название адронная эра. Она длилась примерно от 3 • 10-35 с до 10-4 с. Аннигиляция нуклонов знаменует конец адронной эры. Поскольку почти все адроны аннигилировали, оставив лишь ничтожный избыток ~ 10-9, то основная масса Вселенной после аннигиляции сосредоточилась уже не в адронах, а в лептонах. Соответствующий период в истории Вселенной получил название лептонная эра. Она длилась от 10-4 до 100 секунд. Вселенная в этот период состоит из лептонов (т. е. электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино), а также из фотонов и остаточного числа нуклонов, образовавшихся после аннигиляции. В начале лептонной эры, когда температура была еще очень высока, все частицы находились в термодинамическом равновесии, тесно взаимодействуя друг с другом. В середине лептонной эры, при t = 0,2 с, когда температура упала до 2 • 1010 К, происходит важное событие в жизни
