Воспоминания

Свидетельством начального горячего состояния Вселенной является так называемое «реликтовое (т. е. остаточное) излучение» — приходящее из космоса микроволновое тепловое радиоизлучение, открытое Пензиасом и Вильсоном примерно в то самое время, когда я отдал свою исходящую из холодной модели работу в печать. История открытия реликтового излучения и вообще горячей модели — очень драматична, я не буду ее тут касаться, отослав читателя к ряду прекрасных книг, в их числе Стивена Вейнберга «Первые три минуты», к дополнениям редактора русского перевода этой книги Зельдовича и к его собственным книгам, написанным совместно с И. Д. Новиковым. Укажу лишь, что первоначальная идея горячей Вселенной принадлежит Гамову.

В своей следующей космологической работе я уже исходил из горячей модели и из следующего многозначительного факта — во Вселенной имеется так называемая «барионная асимметрия» (т. е. есть, насколько мы можем видеть, только барионы и нет антибарионов). При этом, что особенно требует объяснения, барионов гораздо меньше, чем фотонов реликтового излучения — примерно одна стомиллионная или даже миллиардная доля. Тут мне опять потребуются пространные разъяснения.

Напомню прежде всего, что барионы — это собирательное название для протонов и нейтронов (а также для некоторых нестабильных частиц, образующихся из протонов и нейтронов при столкновении частиц высоких энергий). Подобно тому, как у электронов существуют «античастицы» — позитроны — с противоположным знаком электрического заряда, так и у протонов и нейтронов существуют античастицы — антипротоны и антинейтроны, вместе — антибарионы. Антипротон обладает обратным по отношению к протону знаком электрического заряда, у антинейтрона (и антипротона) — обратен знак магнитного момента. Более существенно, однако, другое свойство, общее для всех античастиц — они «аннигилируют» при взаимодействии с частицами (аннигилируют — взаимно уничтожаются). При этом образуются гамма-кванты, пи-мезоны и другие частицы меньших и нулевой масс. Разность числа барионов и числа антибарионов в какой-либо системе называется «барионным зарядом». Например, массовое число атомного ядра (сумма числа протонов и числа нейтронов) есть по этому определению барионный заряд ядра.

До недавнего времени считалось, что при всех процессах в природе барионный заряд сохраняется. Закон сохранения энергии и закон сохранения электрического заряда допускают распад протона на позитрон и какие-либо легкие частицы (гамма-кванты, нейтрино и т. п.). Но весь повседневный опыт свидетельствует о том, что этого не происходит (или происходит крайне редко). Экспериментальный предел для вероятности этого процесса очень низок. В тонне вещества содержится примерно 10³⁰ барионов. Можно утверждать, что за год в одной тонне распадается меньше одного бариона. (Добавление 1987 г. Теперь этот предел еще уменьшился в десять раз.) Если бы распадался ровно один барион в год, то за все время существования Вселенной (10 миллиардов лет) в кубе со стороной один километр распалась бы крупинка в 1/4 миллиметра диаметром — еле видная глазом. Экстраполируя эту потрясающую стабильность, физики сделали вывод, что существует абсолютный закон сохранения барионного заряда.

Именно на этот закон, казавшийся почти незыблемым, и посягнул я в своей работе.

Возвратимся опять к космосу.

Как я уже упомянул, в настоящее время, по-видимому, в наблюдаемой части Вселенной гораздо больше фотонов реликтового излучения (их около 400 в см³), чем барионов (в среднем 10^-5 — 10^-6 в см³), и — но это уже в какой-то мере предположение — совсем нет антибарионов. Что было раньше, на ранней стадии расширения Вселенной? Легче всего экстраполировать назад фотоны. Их общее число при расширении мало меняется, но меняются, конечно, их плотность (число фотонов в единице объема) и, что очень важно, средняя энергия фотонов, т. е. температура фотонного газа. Изменение температуры (энергии частиц) при изменении объема — это то самое явление, которое мы наблюдаем при накачивании автомобильной шины. Воздух при сжатии нагревается, а при расширении — охлаждается. То же самое происходит с фотонным газом. Поэтому на ранних стадиях его температура была гораздо выше.