Пять возрастов Вселенной

Космическое фоновое излучение, согласно современным измерениям, имеет температуру, равную 2,73 градусам Кельвина. Более того, спектр этого излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела почти полностью — с точностью до одной десятитысячной. Наиболее точные измерения этого спектра произвел в 1980-х годах спутник СОВЕ (COsmic Background Explorer [3]) (см. рисунок 4). Этот результат служит весьма впечатляющим свидетельством в пользу теории Большого взрыва.

Другое свойство наблюдаемого фонового излучения запечатлелось в пламенном прошлом ранней Вселенной. Космическое фоновое излучение выглядит одинаково во всех направлениях. Почти. Как описывалось выше, поле излучения имеет вид спектра черного тела и может быть охарактеризовано одним значением температуры. Причем эта температура во всех частях неба почти одинакова, с чрезвычайно высокой степенью точности. Этот результат согласуется с космологическим принципом, который гласит, что Вселенная однородна и изотропна.

И все же крошечные колебания температуры космического фонового излучения были зарегистрированы. Амплитуды этих колебаний составляют всего порядка тридцати долей на миллион, и впервые спутник СОВЕ зарегистрировал их в 1992 году. Эти крошечные колебания имеют огромные последствия. Фоновое излучение в последний раз взаимодействовало с веществом, когда Вселенной было 300000 лет. Этот четко определенный поворотный момент, именуемый рекомбинацией, соответствует времени, когда температура Вселенной снизилась настолько, что электроны и ядра смогли объединиться в атомы. (С позиций логики, следовало бы говорить не о «рекомбинации», а о «первой комбинации» (первом объединении), потому что до этого момента электроны и ядра существовали только по отдельности.) До рекомбинации излучение и вещество во Вселенной сильно взаимодействовали друг с другом и были тесно связаны. Однако после появления атомов Вселенная внезапно стала прозрачной для фонового излучения. Колебания, наблюдаемые в температуре современного космического фона, являются отпечатком возмущений плотности вещества, которые имели место, когда излучение и вещество в последний раз вступили в контакт. Поскольку возмущения плотности вещества в конечном итоге разрослись в галактики и их скопления, колебания в микроволновом фоне характеризуют начальные условия образования галактик и крупномасштабных структур.

Кварки и антикварки

В первую микросекунду истории космоса материальное содержимое Вселенной существовало в виде кварков и их антиматериальных двойников, называемых антикварками. Эти, в некотором роде, таинственные частицы образуют более знакомые нам протоны и нейтроны, составляющие большую часть вещества, известного нам сегодня. Однако при высоких температурах вещество предпочитает существовать в виде свободных кварков, а не таких больших частиц, как протоны. Несмотря на то, что большинству первичных кварков суждено аннигилировать, некоторая их доля выживает, чтобы в конечном итоге образовать вещество современной Вселенной. Но задолго до появления протонов и нейтронов произошли микроскопические события огромной важности, которые сформировали будущее материальное содержание Вселенной.

Сегодня наша Вселенная состоит, в основном, из вещества, а не из антивещества. Если вещество и антивещество поместить достаточно близко друг к другу, произойдет их взаимная аннигиляция, после которой останется сильная вспышка излучения. В ходе этого процесса, в сущности, вся масса преобразуется в энергию. Однако существуя на своей планете, мы никогда не наблюдаем такую аннигиляцию. Почему? Потому что Земля почти полностью состоит из одного только вещества, а антивещества в ней нет. То, что миссии NASA к Луне, а потом к Марсу, не завершились эффектными вспышками излучения, совершенно определенно указывает на то, что наша Солнечная система также состоит из вещества и практически не содержит антивещества. Наблюдая более крупные масштабы, типа Галактики и даже всей Вселенной, мы также приходим к выводу о присутствии вещества и выраженном отсутствии антивещества. По приблизительным оценкам, наша Вселенная содержит около 10 ⁷⁸протонов и нейтронов с относительно незначительной примесью антипротонов и других антиматериальных частиц.

Однако, несмотря на эту крайнюю асимметрию, которая наблюдается в нашей Вселенной, законы физики не отдают предпочтение веществу перед антивеществом. Согласно этим базовым законам, которые бессчетное число раз проверялись в ходе лабораторных экспериментов, изначально вещество и антивещество находятся в равном положении. И все же во Вселенной существует дисбаланс. Ясно, что готовится что-то любопытное.

Частицы, состоящие из обычного вещества, типа протонов и нейтронов, называются барионами. Частицы антивещества именуются антибарионами. Так что наша Вселенная выражает суммарное барионное число, определяемое как разность общего числа барионов и общего числа антибарионов. Чтобы космос достиг такого конечного результата, законы физики должны разрешать некий физический процесс, в ходе которого барионное число не сохраняется строгим образом. Существование этого процесса (нарушающего закон сохранения барионного числа) имеет глубокие последствия как для образования вещества в ранней Вселенной, так и для долгосрочной судьбы вещества в отдаленном будущем.

Что касается последнего вопроса, неспособность законов физики обеспечить строгое сохранение барионного числа говорит о том, что протоны, нейтроны и все обычное вещество обречены. Если прождать достаточно долго, относительно слабый процесс, который нарушает закон сохранения барионного числа, в конце концов, непременно запустит механизм распада и разрушения всего обычного вещества. Однако из-за относительной неэффективности данного процесса эту часть истории можно отложить на довольно долгое время, возможно, триллион триллионов триллионов лет.

В самые первые мгновения истории космоса, задолго до того как Вселенной исполнилась одна микросекунда, начали происходить физические процессы, в которых не сохраняется барионное число. При высоких температурах этой эпохи данные процессы, нарушающие закон сохранения барионного числа, гораздо более эффективны, чем при низких температурах современной Вселенной. Последующие микроскопические реакции производят в некоторых областях Вселенной суммарный избыток кварков и, возможно, избыток антикварков в других вселенных. По мере расширения и охлаждения нашей Вселенной эти реакции прекращаются и родственные популяции кварков и антикварков становятся неизменными. Космос успешно достигает состояния бариогенеза— производства суммарного избытка вещества над антивеществом.

Предлагалось несколько различных моделей этого процесса, но они все еще находятся в процессе изучения. Несмотря на то, что это рассуждение несколько туманно, мы все же понимаем процесс бариогенеза хотя бы в общих чертах. Чтобы удержать механизм производства частиц от перехода на противоположное направление, в результате которого будут уничтожены избыточные кварки, эти реакции должны проходить в неравновесном состоянии, чтобы некоторые вновь образовавшиеся лишние кварки могли остаться нетронутыми. Расширение Вселенной облегчает неравновесный характер протекания реакций, обеспечивая постоянно изменяющееся фоновое состояние. Необходимо также и еще одно условие. Микроскопические реакции, образующие общее барионное число, в отличие от большинства процессов, задействующих элементарные частицы, не должны быть точно обратимы во времени. Эти реакции должны уметь чувствовать направление времени (или следовать ему), которое определяется расширяющейся Вселенной. Таким образом, чтобы образовался чистый избыток вещества, во Вселенной должны существовать реакции, нарушающие закон сохранения барионного числа, происходящие в неравновесном состоянии и необратимые во времени.