Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Мы привыкли считать, что протон — образец вечного постоянства. И вот ныне теория утверждает, что протон живет не вечно, что он может распасться. Теория предсказывает, что в современном мире при современных температурах эти спонтанные превращения протонов в фотоны очень редки. Для единичного протона вероятность такого распада — один раз за 1031 лет! Но известно, что возраст нашей Вселенной составляет всего от 1 1010 до 2 1010 лет! Не значит ли это, что протон следует считать истинно устойчивой частицей? Нет, ведь их очень много. Так много, что и при этой крайне малой вероятности распада во Вселенной действительно должны происходить такие процессы. Поэтому ученые приступили к опытам, цель которых обнаружить столь удивительное и маловероятное событие. Ведь положительный результат был бы сильнейшим аргументом в пользу теории Великого объединения главных сил, действующих в природе, и объединения всех частиц в единое семейство, обладающее чрезвычайно симметричным строением, причем отклонения от этой симметрии объясняют все известные различия между частицами.

Идея этого опыта основана на том, что элементарные частицы очень малы и их очень много. Достаточно взять 1000 тонн любого вещества, чтобы в нем содержалось около 5 1032 протонов и нейтронов. Если этим веществом является вода, то протонов в ней чуть больше половины. Это значит, что, при вероятности распада 10–31 в год, в течение года следует ожидать примерно 25 случаев спонтанного распада протонов. Для того чтобы наблюдать эти чрезвычайно редкие события, опыты будут проводиться в глубоких шахтах или в глубине океана, чтобы уменьшить помехи со стороны космических лучей, которые могут исказить результаты опыта.

Мы сосредоточили внимание на рубеже, на котором при температуре 1018 К сложилась основа той Вселенной, которую мы наблюдаем теперь. Именно после этого, вследствие случайного избытка в 1 частицу на 109 античастиц и после аннигиляции этих античастиц с соответствующим количеством в 109 частиц, осталась и ныне существует вся материя Вселенной и множество фотонов. Затем, на протяжении огромного периода времени, который по нашим часам длился примерно 0,01 сек, температура расширяющейся Вселенной упала до 1011 К (100 миллиардов градусов). В течение этого времени, после завершения аннигиляции тяжелых частиц, вещество Вселенной не испытало существенных изменений. Оно состояло главным образом из фотонов, электронов, позитронов и нейтрино с их антинейтрино. Доля тяжелых частиц — протонов и нейтронов, уцелевших в процессе аннигиляции, была малой.

Первые три минуты

Когда температура в результате расширения Вселенной упала до 100 миллиардов градусов, плотность равновесной массы вещества и излучения была в 3,8 миллиарда раз больше, чем плотность воды на поверхности Земли в наше время. При этом окружность Вселенной была невелика, так что свет мог обежать ее за несколько лет. Впрочем, этот размер еще точно не известен, а дальнейшая эволюция Вселенной не зависит от ее начальных размеров.

Через 0,11 секунды температура упала до 30 миллиардов градусов, но ничего существенного за это время не произошло. По-прежнему Вселенная наполнена фотонами, электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. Но плотность этой равновесной мешанины значительно уменьшилась, падая как четвертая степень уменьшения температуры. Изменилось и соотношение между протонами и нейтронами, количество которых в начале предыдущего этапа было одинаково. Изменение произошло потому, что протоны и нейтроны при температуре 30 миллиардов градусов еще не способны объединяться в ядра атомов, а свободные нейтроны, как известно, неустойчивы. Каждый из них в среднем через 15 минут превращается в протон, выделяя также электрон и нейтрино. В результате таких распадов к концу этого этапа развития из каждых ста ядерных частиц лишь 38 были нейтронами, а 62 протонами.

Прошло всего около одной секунды, но за это время, в результате быстрого расширения, температура упала до 10 миллиардов градусов, а плотность вещества уменьшилась настолько, что нейтрино и антинейтрино практически перестали взаимодействовать с остальными частицами и излучением. Дальнейшая судьба реликтовых нейтрино не известна вследствие необычайной трудности исследования этих частиц. Их эволюция протекает практически независимо от эволюции остального вещества, а их главная роль состоит в том, что на их долю приходится некоторая часть общей массы Вселенной, определяющей темп ее расширения.

К этому моменту общая плотность материи «лишь» в 380 000 раз превышала плотность воды, а распад нейтронов, все еще не объединившихся с протонами в ядра атомов, привел к тому, что осталось только 24 нейтрона на каждые 76 протонов.