Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 24 страниц)

Первый сценарий

Шли годы. Многие ученые уточняли теорию Большого взрыва. В начале семидесятых годов удалось с большими подробностями воссоздать (на бумаге) эволюцию Вселенной.

При этом физики были все еще вынуждены отказаться от описания «самого начала», когда, в соответствии с теорией Фридмана, Вселенная была сжата в бесконечно малый объем.

В середине семидесятых годов сценарий, описывающий эволюцию Вселенной, можно было начать только с дистанции в одну сотую секунды от начала Большого взрыва.

Основываясь на знаниях, накопленных к 1975 году, ученые нарисовали первый кадр сценария «Большой взрыв»: через 0,01 с после Большого взрыва температура Вселенной составляет 100 миллиардов градусов (1011 К). Она заполнена однородной по свойствам смесью вещества и излучения. Существенно, что свойства Вселенной в этот момент совершенно не зависят от того, что было раньше. Все последующее определяется тем, что при температуре 1011 К электрический заряд Вселенной и разность между числом частиц и античастиц в ней очень малы или равны нулю.

Вещество, образующее Вселенную в этот момент, представлено электронами и нейтрино с их античастицами, а излучение существует в форме фотонов. По оценкам, выполненным к 1975 году, каждый из этих сортов частиц был представлен почти в одинаковом количестве (точнее, на каждый фотон приходилось по 7/4 электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино). Кроме того, на каждый миллиард нейтрино или фотонов присутствует всего примерно один протон или нейтрон. Плотность этой смеси огромна. Она в 3,8 миллиарда раз превосходит плотность современной воды.

При такой огромной плотности и температуре электроны и позитроны (частицы материи) постоянно превращаются в фотоны (частицы света), а фотоны с той же интенсивностью порождают электронно-позитронные пары. Одновременно протоны превращаются в нейтроны и обратно, причем в этих превращениях участвуют электроны и нейтрино со своими античастицами.

Размер Вселенной в этот момент неизвестен, но это незнание не влияет на дальнейшую эволюцию. Ясно лишь, что, оставаясь в состоянии подвижного равновесия, Вселенная чрезвычайно быстро расширяется, увеличиваясь на 1 % за 0,02 с.

Расширяясь, Вселенная быстро остывает, но скорость ее расширения постоянно убывает, так как гравитационные силы препятствуют расширению.

Следующий характерный момент, следующий кадр сценария отстоит на 0,1 с от предыдущего. Температура успела упасть примерно втрое, до 3 1010 К. Температура Вселенной уменьшается при расширении аналогично тому как остывает расширяющийся газ. Электроны, позитроны нейтрино, антинейтрино и фотоны все еще пребывают в равновесии между собой, но вследствие падения температуры радиоактивный распад нейтронов, превращающихся в протоны, электроны и антинейтрино, уже не компенсируется обратным превращением протонов в нейтроны. В результате к этому моменту в состав ядерных частиц входит 38 % нейтронов на 62 % протонов. Скорость расширения Вселенной, убывающая как квадрат температуры, уменьшилась так, что расширение на 1 % происходит только за 0,2 с.

Следующий характерный момент, а значит, и следующий кадр отстоит на 1 с от начала отсчета. Вследствие расширения температура понизилась еще втрое – до 10¹⁰ К. Теперь плотность вещества упала настолько, что нейтрино перестали взаимодействовать с остальными частицами. Из-за падения температуры электроны и позитроны превращаются в фотоны чаще, чем рождаются из них, поэтому количество электронов и позитронов начинает уменьшаться, а количество фотонов – возрастать. Распад нейтронов продолжается. Поэтому их баланс теперь: 24 % нейтронов и 76 % протонов. Еще примерно через 10 с температура успевает упасть примерно втрое (до 3 10 К), рождение электронов и позитронов из фотонов прекращается. Но, сталкиваясь между собой, электроны и позитроны по-прежнему превращаются в фотоны. Их количество быстро уменьшается, а количество фотонов соответственно увеличивается. Теперь Вселенная состоит 6 преимущественно из фотонов с небольшой примесью частиц и античастиц, а также из продолжающих независимое расширение нейтрино. Распад нейтронов приводит к дальнейшему уменьшению их количества до 17 % при 83 % протонов. Расширение и охлаждение продолжается.

Следующий важный этап происходит чуть позже чем через 3 минуты, когда температура падает ниже 109 К, ниже одного миллиарда градусов Кельвина. При этой температуре начинается нуклеосинтез: ядра дейтерия, образующиеся при столкновении протона и нейтрона, уже не распадаются при взаимодействии с другими частицами и фотонами. Более того, они могут присоединять к себе еще один протон или нейтрон и превращаться соответственно в ядра гелия-3 и в ядра трития. А они, в свою очередь, присоединяя соответственно еще один нейтрон или протон, превращаются в гелий-4. Кроме того, в результате редких соударений ядра гелия-4 с ядром дейтерия возникает небольшое количество ядер лития-6, а при соударении ядер гелия-4 с ядрами трития возникает небольшое количество ядер лития-7. Ядра более тяжелых атомов не образуются этим путем, ибо не существует стабильных ядер с пятью или восемью ядерными частицами.

К моменту, непосредственно предшествующему нуклеосинтезу (образованию ядер), распад нейтронов свел их количество примерно до 12,5 % на 87,5 % протонов. Практически все нейтроны затем оказались связанными в ядрах гелия-4. В ядре гелия-4 содержится по два нейтрона и два протона, следовательно, ядра гелия составляют по массе примерно 25 % при 75 % свободных протонов.

Когда процессы нуклеосинтеза закончились и температура Вселенной упала до 3 108 К, плотность Вселенной упала до 10 % от современной плотности воды. Вселенная состоит на 31 % из нейтрино и антинейтрино и на 69 % из фотонов. Ядра гелия, свободные протоны и электроны составляют ничтожную часть массы Вселенной, причем на каждый протон (свободный или входящий в ядра гелия) приходится один электрон…

На этом сценарий обрывается, ибо в дальнейшем состав Вселенной не будет заметно изменяться. Она будет продолжать расширяться, причем скорость расширения и температура постепенно уменьшаются.

Но в ранней Вселенной был еще один важный момент. Он произошел примерно через пятьсот – семьсот тысяч лет после Большого взрыва. Температура Вселенной к этому времени упала до 4000 К, и электроны смогли прочно соединиться с ядрами гелия и с протонами, образуя атомы гелия и водорода. Ни соударения между атомами, ни взаимодействия с фотонами при этой температуре не способны разрушить такие атомы. Но так как число протонов и электронов было изначально одинаково, то после образования атомов во Вселенной не стало свободных электронов. Вследствие исчезновения свободных электронов Вселенная стала прозрачной для фотонов так же, как при температуре 1010 К, через одну секунду после начала расширения она стала прозрачной для нейтрино. Теперь фотоны продолжают расширяться и остывать вместе с расширением Вселенной, не взаимодействуя с веществом.

Прошло еще пятнадцать миллиардов лет, и вот читатель взял эту книгу и узнал, что в настоящее время в природе должно существовать примерно 25 % гелия и 75 % водорода, а Вселенная должна быть наполнена фотонами —4 реликтовым электромагнитным излучением с температурой около 3 К.

Оба эти «предсказания» удивительно точно совпадают с экспериментом.

Казалось, на этом можно поставить точку.

Но наука не может остановиться.

От пустоты к вакууму

К тому моменту, когда удалось составить описанный выше сценарий развития Вселенной, ученые добыли новые знания как в ходе чрезвычайно сложных экспериментов с элементарными частицами, так и в попытках понять и описать математически результаты этих экспериментов.

Возникшие на этой основе теории позволили приблизиться к пониманию эволюции Вселенной на еще более ранних стадиях.

При этом существенную роль сыграло изменение взгляда ученых на вакуум. Это может показаться странным тем, кто привык считать понятия «вакуум» и «пустота» синонимами.

Понятие «пустота» тревожило людей издревле. Аристотель пришел к мнению о том, что пустота невозможна. Он сформулировал это кратко и четко: «Природа не терпит пустоты».

Лишь в 1644 году Э. Торричелли проделал свой знаменитый опыт: он запаял один конец длинной стеклянной трубки, повернул трубку открытым концом вверх и до краев заполнил ее ртутью; затем он закрыл этот конец трубки пальцем и опустил его в чашку со ртутью. Убрал палец – столб ртути опустился. Его высота равнялась 750 мм. В трубке над ртутью было пусто. Торричелли считал, что там ничего нет, даже газа, что там вакуум.

В конце прошлого века И. Стефан, его ученик Больцман и Планк, передавая друг другу эстафету исследования свойств электромагнитного поля, пришли к заключению, что вывод Торричелли требует уточнения. Если в торричеллиевой пустоте нет и следов газа, это не значит, что там нет совершенно ничего. Там обязательно существуют хаотические электромагнитные волны, находящиеся в тепловом равновесии со стенками сосуда. Вскоре (в 1905 году) Эйнштейн установил, что электромагнитное поле в некоторых случаях ведет себя как совокупность особых частиц – квантов электромагнитного поля. Эти кванты теперь называют фотонами.

Так было установлено, что вакуум не пуст.

В вакууме всегда присутствуют фотоны, постоянно испускаемые стенками сосуда, ограничивающего вакуум, и поглощаемые этими стенками. В космосе, где нет стенок, фотоны порождаются всеми материальными частицами, от атомов до звезд. Этот вывод, следующий из классической электродинамики, подтвержден опытом.

Квантовая физика привела к дальнейшему уточнению понятия «вакуум». Из фундаментальных законов квантовой физики следует, что даже при нулевой температуре в каждой точке вакуума постоянно попарно рождаются и тут же исчезают, сливаясь между собой частицы и античастицы любого типа. Физики называют эти пары частиц и античастиц виртуальными. (Название, происходящее от латинского virtualis – возможный, могущий появиться.)

Виртуальные частицы не выдумка теоретика, они вступают во взаимодействие с реальными частицами, и это взаимодействие изменяет характеристики реальных частиц. Современные измерительные приборы позволяют зафиксировать эти изменения. Результат таких изменений был с огромной точностью зафиксирован в спектре атомов водорода.

Достаточно сильное поле, например электростатическое, или переменное электромагнитное поле может вызвать превращение виртуальных частиц вакуума в пары реальных частиц и античастиц. Такое рождение электрон-позитронных пар и пар других частиц и античастиц наблюдается во многих опытах.

Среди поразительных свойств вакуума, пожалуй, самое поразительное содержится в ответе на вопрос: обладает ли вакуум свойством гравитации?

Этот вопрос был впервые поставлен Эйнштейном еще в 1917 году. Уже тогда было ясно, что вакуум не пуст, что из него невозможно удалить виртуальные фотоны. А сам Эйнштейн еще за год до того установил, что реальные фотоны реагируют на гравитационное поле, что путь фотонов вблизи массивных тел искривляется. Это искривление наполовину вызвано именно тем, что фотон обладает массой и поэтому подвергается действию поля тяготения.

Но затем Эйнштейн был вынужден приписать гравитационные свойства и самому вакууму. Это было необходимо потому, что он, как мы знаем, исходил из представления о том, что Вселенная, рассматриваемая в целом, вечна и неизменна.

Но решения уравнений Общей теории относительности, полученных при создании этой теории, приводили к тому же, что уравнения Ньютона – силы тяготения – гравитация – должны собрать всю массу Вселенной в один огромный комок или в ряд таких комков. Вывод противоречил опыту. Поэтому, как было рассказано выше, Эйнштейн был вынужден изменить полученные им уравнения, ввести в них наряду с силами тяготения еще силы отталкивания, такие, чтобы они в сумме гасили друг друга в далеких просторах Вселенной. Но сила отталкивания не должна была проявлять себя во всех изученных ранее процессах, где сила тяготения действует без всяких помех. Значит, сила отталкивания должна быть пропорциональной расстоянию между телами. Эйнштейн назвал дополнительный член, введенный им в уравнения Общей теории относительности, космологическим членом. Этот член проявляет себя только на огромных расстояниях. Эйнштейн считал отталкивание, описываемое космологическим членом, одним из свойств вакуума. Гравитационные свойства материи проявляются в искривлении пространства, в тяготении. Гравитационные свойства вакуума проявляются как сила отталкивания.

Мы знаем, что через несколько лет Фридман нашел нестационарные решения первоначальных уравнений Эйнштейна. Впрочем, сам Фридман заметил, что нестационарное решение возможно и в уравнениях Эйнштейна, содержащих космологический член. Нужно лишь предположить, что силы тяготения и силы отталкивания компенсируют друг друга не полностью. Но было ясно, что введение космологического члена лишь усложняет уравнения, не давая ничего нового.

Сам Эйнштейн писал впоследствии, что введение космологического члена было «самой грубой ошибкой» в его жизни. Казалось, что космологический член канул в небытие.

Но в тридцатых годах он вновь возродился. Мы уже знаем, что первые вычисления величины постоянной Хаббла, определяющей время расширения Вселенной, были завышены в 10 раз. Это давало для возраста Вселенной величину, меньшую возраста Земли. Для того чтобы устранить это противоречие, космологи вернули в уравнения Эйнштейна космологический член. Они рассуждали так. Первоначально, когда мир Фридмана – Эйнштейна только начал расширяться, все вещество было сжато до огромных плотностей в малом объеме. Тогда, рассуждали они, силы тяготения были велики (большая плотность вещества и энергии), а силы отталкивания, обусловленные вакуумом, малы (малые расстояния).

В ходе расширения плотность Вселенной уменьшалась, а ее размеры росли. Соответственно силы тяготения убывали, а силы отталкивания возрастали. В какой-то момент эти силы стали одинаковыми, Вселенная расширялась по инерции. Если ее скорость при этом мала, то этот период может быть очень длительным. Так можно избежать противоречия между возрастами Земли и Вселенной. В конце концов плотность массы Вселенной, а с ней и сила тяготения уменьшатся настолько, что сила отталкивания превзойдет силу тяготения, и Вселенная начнет расширяться ускоренно. Так можно было примирить известное в то время значение постоянной Хаббла с возрастом Вселенной.

Эту гипотезу пришлось отбросить после того, как в пятидесятых годах астрономы уточнили величину постоянной Хаббла. Теперь возраст Вселенной определяют примерно в 15 миллиардов лет. Космологический член снова оказался ненужным.

Космологический член вновь ожил после того, как в 1967 году были открыты квазары и установлено очень большое красное смещение в их спектрах, свидетельствующее о том, что они чрезвычайно быстро удаляются от нас. Если все квазары обладают одинаковой природой, то их видимый блеск должен убывать по мере увеличения красного смещения, которое тем больше, чем дальше квазар. Такое простое соображение противоречило данным, полученным в первые годы наблюдения квазаров. Тогда астрофизики объясняли расхождение отрицательным давлением вакуума, описываемым космологическим членом.

Но постепенно появлялись новые астрономические данные. Оказалось, что отнюдь не все квазары одинаковы и поэтому различия в их блеске обусловлены не только их разной удаленностью.

При этом космологический член опять оказался ненужным.

Но мы скоро увидим, что физика элементарных частиц указывает на возможную большую роль гравитации вакуума, а значит, и космологического члена на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Перейдем к современным космологическим сценариям, опирающимся на достижения новейших теории элементарных частиц. Эти космологические теории исходят из наиболее достоверных, полученных из изощренных опытов, физических предположений и проверенных этими опытами теорий элементарных частиц, подтвержденных дополнительными опытами.

Но прежде чем погрузиться в эту увлекательную область, необходимо вспомнить о той революции в физике элементарных частиц, которая зарождалась в начале семидесятых годов.

ГЛАВА 7
ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

Так рождалась сказка о стране чудес.

Л. Кэрролл

Новый подход

В середине нашего века физики убедились: все процессы, происходящие в природе, обусловлены взаимодействием между частицами и полями. Наиболее универсально гравитационное взаимодействие, связанное с гравитационными полями. Оно порождается любыми видами материи и связанной с нею энергией. Гравитационные поля играют решающую роль в крупномасштабных явлениях – в космосе. Их нельзя избежать в нашей земной жизни. Однако они становятся исчезающе малыми в атомных масштабах и поэтому не проявляют себя в процессах, разыгрывающихся внутри атомов и молекул. Зато здесь играют главную роль электромагнитное взаимодействие и электромагнитные поля. Они определяют свойства атомов и молекул, участвуют в радиоактивном гамма-распаде и имеют первостепенное значение в технике, в химических реакциях и биологических процессах.

При радиоактивном бета-распаде наиболее важны взаимодействия, вызывающие распад нейтрона и испускание электронов и позитронов из некоторых ядер. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. Слабым потому, что оно в 1010 раз слабее электромагнитного взаимодействия.

Ряд экспериментов привел физиков к заключению, что при очень высоких энергиях роль слабого взаимодействия увеличивается и оно становится неотличимым от электромагнитного взаимодействия. Такое объединенное взаимодействие названо электрослабым.

Кроме гравитационного, электромагнитного и слабого, существует четвертый вид взаимодействия. Сведения о нем стали достоянием ученых только в середине шестидесятых годов, когда исследования, проведенные при помощи ускорителей, показали, что ядерные частицы, в частности протоны и нейтроны, не являются элементарными частицами.

Постепенно выяснилось, что протон и нейтрон образованы из трех различных комбинаций более элементарных частиц – кварков. В природе существует шесть разновидностей кварков и, соответственно, шесть антикварков. При соединении кварка и антикварка получается мезон, частица, ранее считавшаяся элементарной. При соединении трех кварков получаются протоны и нейтроны и другие тяжелые частицы, называемые барионами. Таким образом, и эти частицы оказались не элементарными.

Объединение кварков (и антикварков) в более сложные частицы осуществляется в результате сильных взаимодействий. Их название показывает, что они в масштабе размера ядра (10– 13 см) очень сильны. Но они кардинально отличаются от остальных взаимодействий своей зависимостью от расстояния. Взаимодействия, с которыми мы познакомились ранее, гравитационное и электрослабое, быстро убывают при увеличении расстояния. Сильное взаимодействие обладает более сложными свойствами. Оно очень быстро растет, когда расстояния увеличиваются за пределы размеров ядра, и резко уменьшается, когда расстояния становятся меньшими, чем размеры ядра. В результате этого кварки внутри протона и нейтрона ведут себя как свободные частицы. Если же какому-либо из кварков придана очень большая энергия, способная вырвать его наружу, то происходит процесс, с которым физики ранее не встречались. Эта энергия оказывается затраченной на рождение нового кварка внутри частицы (например, внутри протона или нейтрона), из которой мы пытаемся вырвать кварк, и рождение мезона, как бы вылетающего из материнской частицы. Более детальное изучение показывает, что мезон не вылетает как целое из этой частицы, а возникает из выбитого из нее кварка и еще одного кварка, порождаемого в вакууме за счет энергии, затраченной на освобождение кварка из недр протона или нейтрона.

Эти процессы, кажущиеся фантастическими, реализованы и подробно изучены при помощи самых мощных из имеющихся ускорителей заряженных частиц. На основе подобных исследований ученые были вынуждены признать, что при очень высоких энергиях, соответствующих температуре около 1028 К, электрослабые взаимодействия сравниваются по величине с сильными взаимодействиями и сливаются с ними воедино. Физики назвали этот процесс Великим объединением. Это значит, что при температуре, превышающей 1028, все составные частицы (протоны, нейтроны, мезоны и более сложные частицы) распадаются. Все вещество при этом существует в форме кварков и лептонов (этим наименованием обозначают семейство, состоящее из электрона, мюона, их родственника тау– лептона, трех нейтрино и их античастиц). Распад протонов, нейтронов и других составных частиц происходит вследствие того, что при температуре 1028 К частицы могут сближаться на расстояние 10– 28 см и ближе. Но на этих малых расстояниях силы, удерживающие кварки внутри составленных из них частиц, уменьшаются практически до нуля.

Все три поля при этом представлены единым полем, а частицы, передающие взаимодействие, обусловленное этим полем, выглядят в этих условиях как необычайно энергичные фотоны.

Это не плод фантазии физиков, а выводы из множества экспериментов, поставленных так, что каждый из них проверяет результаты, полученные в других экспериментах.

Ни один из них не противоречит другим, а если появляется видимость противоречий, то они устраняются по мере дальнейшего проникновения в глубинные свойства материи. Когда это удается, а пока так было во всех случаях, выявляются новые факты, противоречия исчезают и картина мира становится все более детальной и ясной.

В результате таких исследований физики вынуждены признать, что при еще более высоких температурах, превышающих 1032 К, частицы сближаются так тесно (на расстояние порядка 10– 33 см), что гравитационное взаимодействие сравнивается по величине с тем, которое образовано при Великом объединении остальных трех взаимодействий. Физики назвали такое объединение, в котором сливаются все четыре взаимодействия, суперобъединением.

После этого краткого отступления в физику элементарных частиц мы можем возвратиться к тому, как ученые постепенно уточняли сценарий ранних этапов эволюции Вселенной.

Сотрудники Физического института АН СССР Д. А. Киржниц и А. Д. Линде в 1972 году обратили внимание на то, что в ранней истории Вселенной должен был возникнуть критический момент, существенный для понимания хода ее эволюции. Этот момент наступает, когда в ходе фридмановского расширения Вселенной температура раскаленной мешанины элементарных частиц опускается до значения, лежащего около 1028 К. При этом Великое объединение нарушается. Сильное взаимодействие отделяется от электрослабого. Различие между ними увеличивается по мере дальнейшего падения температуры. Это, по мнению авторов, должно наложить отпечаток на ход эволюции Вселенной.

В 1974 году голландский астрофизик Т. Хоофт и А. М. Поляков из Института теоретической физики АН СССР указали на то, что именно на рубеже Великого объединения при температуре 10 К, когда Вселенная еще была сильно сжатой, наряду с известными нам частицами, должны интенсивно рождаться монополи, удивительные магнитные частицы, являющиеся как бы однополюсными магнитами или магнитными зарядами. Они рождаются парами – северный монополь и южный монополь. На возможность существования магнитных монополей еще в 1931 году указал гениальный физик П. А. Дирак, первым теоретически предсказавший существование в природе антиматерии. Теоретики подробно рассмотрели свойства таких монополей и установили, что масса монополя должна быть в 1016 раз больше массы протона. Несколько групп экспериментаторов пытались обнаружить эти экзотические частицы.

Результат экспериментов всегда был отрицательным, хотя чувствительность и надежность использованных приборов были весьма велики.

Монополи бросили вызов астрофизикам. Они обязаны были объяснить, почему, несмотря на предсказание Т. Хоофта и Полякова, магнитные монополи в наше время отсутствуют?

В том же 1974 году И. Ю. Кобзарев, Я. Б. Зельдович и А. Б. Окунь установили: исходя из свойств физического вакуума, следует ожидать, что Вселенная на ранней стадии ее эволюции может расчлениться на отдельные области —. домены. Они разделены между собой и эволюционировали независимо. Затем М. Б. Волошин, Кобзарев и Окунь высказали интересное предположение: в начале эволюции Вселенная прошла через необычное состояние – его назвали ложным вакуумом. Это не физический вакуум, уже известный науке. Но отдельные области ложного вакуума могут независимо одна от другой переходить в состояние обычного физического вакуума, порождая при этом независимые домены. Их-то и рассмотрели в только что упомянутой работе советские ученые.

Так, продвигаясь шаг за шагом к пониманию эволюции Вселенной, ученые натыкались на новые трудности и загадки. Однако, считая, что эти трудности удастся преодолеть, астрофизики стремились развить модель Большого взрыва в сторону приближения к его таинственному началу.

В 1980 году вышла статья, в которой один из создателей теории электрослабого взаимодействия лауреат Нобелевской премии С. Вайнберг подвел итог попыткам приблизиться к пониманию начальной стадии Большого взрыва. Сценарий, с которым мы познакомились выше, начинался с момента, отстоящего на 0,01 с от начала.

Новые знания законов взаимодействия элементарных j частиц позволили ученым мысленно продвинуться еще ближе к началу, где температура и плотность были еще более высокими.

Ученые исходили из нового понимания принципиально: важного критерия, показывающего, какие частицы являются элементарными. Теперь они считали элементарными частицами семейство фотонов, семейство лептонов и антилептонов, семейство кварков и антикварков и семейство глюонов, удерживающих кварки внутри ядерных частиц.

Попробуем и мы, вооружившись этим современным критерием, проследить за продвижением ученых от момента, отстоящего на 0,01 с от начала, еще ближе к началу. Мы уже знаем, что, приступая к дальнейшей работе, ученые считали, что на рубеже 0,01 с при температуре порядка 10¹¹К вещество Вселенной состояло из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино, их античастиц и огромного количества фотонов.

Эта точка зрения не претерпела изменений. Но на более раннем рубеже при температуре 10²⁸ К, энергия, заключенная в этой раскаленной плазме, столь велика, что кварки не могут объединиться и образовать протоны, нейтроны или мезоны. Эти составные частицы теперь становятся виртуальными, то есть возникают на ничтожные мгновения и снова распадаются в раскаленной мешанине фотонов, лептонов, кварков и глюонов.

Еще ближе к началу Большого взрыва, при температурах вплоть до 10³² К, энергия столь велика, что становятся возможными виртуальные рождения чрезвычайно тяжелых частиц, родственных фотонам, – промежуточных бозонов, которые, как мы знаем, являются переносчиками слабого взаимодействия.

То, что было еще раньше, характеризуется много более высокими температурами и плотностями. Частицы находятся так близко одна от другой, что гравитационное взаимодействие сравнивается по силе с остальными и теперь все они представляют единое взаимодействие, единое поле.

В первоначальном сценарии предполагалось, что отсутствие антивещества во Вселенной связано с тем, что на рубеже одной сотой секунды случайно на один миллиард частиц и античастиц была одна лишняя частица. Считалось, что из этих «избыточных» частиц образовалось все, что мы видим вокруг. Остальные частицы и античастицы аннигилировали, превратившись в фотоны.

Со временем ученые пришли к выводу о том, что симметрия частиц и античастиц была нарушена уже раньше. Новые оценки гласили: в самые ранние времена на 10⁸ —10¹⁰ кварков и антикварков приходился один лишний кварк. И это сохранилось при последующей эволюции. Теория позволяет предположить и другой путь возникновения избытка частиц над античастицами. Возможно, что в начальный период, когда в раскаленной плотной массе вещества и энергии рождались и вновь распадались все известные нам частицы, количество частиц и античастиц было точно равно. Затем, в результате расширения Вселенной, температура упала настолько, что рождение тяжелых частиц и их античастиц стало невозможным. Но их исчезновение в результате попарной аннигиляции тяжелых частиц и античастиц продолжалось, не нарушая баланса между ними. На этот процесс накладывался конкурирующий процесс распада тяжелых частиц, происходящий под влиянием сил слабого взаимодействия. Теория показывает, что для некоторых тяжелых частиц такой распад идет с преимущественным рождением протонов и нейтронов. Так возникает новая возможность возникновения избытка обычного вещества: при распаде тяжелых частиц рождалось больше протонов и нейтронов, чем их античастиц. Поэтому при последующей аннигиляции протонов и нейтронов с их античастицами возник избыток протонов и нейтронов, из которых в ходе нуклеосинтеза возникли остальные химические элементы.

Не будем обсуждать доводы, служившие в семидесятые годы ученым основой для продвижения к началу эволюции Вселенной.

Одновременно с построением дополнительных первых глав сценария выявлялись трудности и противоречия, приведшие к радикальному пересмотру того, что было достигнуто.