Занимательная астрофизика

В современной Вселенной плотность фотонов реликтового излучения составляет N_γ≈500 см^-3, а плотность барионов — N_бap≈10^-6 см^-3. Таким образом, число фотонов во Вселенной во много раз больше числа барионов:

Величину S называют удельной энтропией.

Удельная энтропия — тоже «след» прошлого нашей Вселенной, способствующий его теоретической реконструкции. Теория должна объяснить, почему этот «след» именно такой, т. е. почему удельная энтропия столь велика.

Оказывается, это обстоятельство непосредственно связано с еще одной величайшей загадкой современной Вселенной… Согласно данным современной астрономии, все космические объекты, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной, состоят из вещества. На языке физики это означает, что в окружающем нас мире явно преобладают барионы[25]. Антибарионов в сколько-нибудь значительных масштабах в нашей Вселенной нет. Однако на протяжении длительного времени этот фундаментальный факт не находил удовлетворительного объяснения.

В физике существует закон сохранения барионного заряда: барионным зарядом или барионным числом называется разность числа барионов и их античастиц, участвующих в тех или иных физических взаимодействиях.

Так вот, при любых физических процессах, какие бы превращения элементарных частиц ни происходили, барионный заряд должен оставаться неизменным. А отсюда следует, что тот избыток барионов над антибарионами, который наблюдается в современной Вселенной, должен был существовать всегда.

С другой стороны, согласно одному из основных законов современной физики, элементарные частицы всегда «рождаются» парами: если в каком-либо физическом процессе на свет появляется, скажем, электрон, то одновременно с ним должен появиться и позитрон, т. е. антиэлектрон. Протон рождается вместе с антипротоном, а нейтрон — с антинейтроном. Куда же в таком случае девались все те античастицы, которые должны были бы составить пары с частицами кашей Вселенной?

Согласно теории, в процессе расширения Вселенной частицы и античастицы должны были аннигилировать, превращаясь в конечном итоге в фотоны и нейтрино.

Но если современные космические объекты состоят только из вещества, то это означает, что на самой ранней стадии расширения должен был существовать небольшой избыток частиц над античастицами. Избыток, который и сохранился до нашей эпохи. Его величина характеризуется отношением числа барионов к числу фотонов:

Но это не что иное, как величина, обратная удельной энтропии. Вот почему удельная энтропия столь велика.

Что же касается причин, обусловивших возникновение избытка барионов над антибарионами, то на этот счет выдвигались различные гипотезы, в том числе довольно экстравагантные, но ни одна из них не выглядела достаточно убедительной.

Еще несколько лет назад академик В. А. Амбарцумян в связи с изучением нестационарных явлений, происходящих во Вселенной, высказал мысль о том, что для их объяснения, быть может, придется пересмотреть некоторые положения теоретической физики и в первую очередь закон сохранения барионного заряда. В конце 60-х годов определенные сомнения в справедливости закона сохранения барионного заряда возникли у физиков и астрофизиков также и в связи с зарядовой асимметрией Вселенной. Сейчас же, в свете теории «Великого объединения», эти сомнения получили весьма серьезные основания.

Когда в процессе расширения Вселенной температура была выше 10²⁸ К, пространство заполняла сверхгорячая смесь, состоявшая из равных количеств всех фундаментальных частиц и соответствующих им античастиц. В этот период барионный заряд был равен нулю.

Если бы такое положение сохранилось и в дальнейшем, то по мере расширения Вселенной и понижения температуры все тяжёлые частицы проаннигилировали бы со своими античастицами и к современной нам эпохе не осталось бы ни протонов, ни нейтронов, т. е. не было бы вещества, а только фотоны и нейтрино.

Но все дело в том, что согласно теории «Великого объединения» при температуре порядка 10²⁸ К могли рождаться сверхтяжелые частицы с энергиями порядка 10¹⁵ ГэВ (масса этих частиц была равна 10¹⁴ масс протона). Такая температура в процессе расширения Вселенной была достигнута спустя 10^-35 секунды после начала расширения.

Затем сверхтяжелые частицы и их античастицы распадались, но у частиц и античастиц эти распады происходили с разной вероятностью. В конечном итоге это и привело к тому, что образовался небольшой избыток барионов над антибарионами, т. е. появился барионный заряд.

От настоящего к будущему

Гораздо сложнее обстоит дело с «построением» картины будущего. Это всегда чисто теоретическая экстраполяция, прямая проверка которой невозможна. В полной мере подтвердить ее или опровергнуть может только само дальнейшее развитие событий, само будущее: Но если теории, на которые мы опираемся, в достаточной степени обоснованы, то такая экстраполяция все же представляет известный интерес. Во всяком случае она рисует нам принципиально возможные варианты тех событий, которые могут произойти в грядущем.