Първите Три Минути след Големия Взрив

Сега вече сме готови да проследим хода на космическата еволюция през нейните първи три минути. Отначало събитията протичат много по-бързо, отколкото по-късно, така че не би било полезно да показваме картини, разделени от равни времеви интервали подобно на обикновен филм. Вместо това ще синхронизирам скоростта на нашия филм със спадащата температура на Вселената, спирайки камерата, за да направя снимка всеки път, когато температурата спадне около три пъти.

За нещастие не мога да започна филма в нулевия момент и при безкрайно висока температура. Над една прагова температура от хиляда и петстотин милиарда градуса по Целзий. Вселената би трябвало да съдържа голям брой частици, известни като пи-мезони, с тегло около една седма част от това на една ядрена частица. За разлика от електроните, позитроните, мюоните и неутриното пи-мезоните взаимодействуват  твърде силно помежду си и с ядрените частици. В същност непрекъснатият обмен на пи-мезони между ядрените частици е причина за по-голямата част от силата на привличане, която държи атомните ядра като едно цяло. Наличието на голям брой та- кива силно взаимодействуващи частици изключително усложнява пресмятането на поведението на материята при свръхвисоки температури. За да избегна такива трудни математически проблеми, ще започна разказа в тази глава от около една стотна част от секундата след началото, когато температурата е била спаднала докъм някакви си сто милиарда градуса, т. е. със сигурност под праговата температура за пи-мезоните, мюоните и всички по-тежки частици. В следващите статии ще разкажа малко за това, което физиците-теоретици предполагат, че се е случило в течение натази една стотна част от секундата. С тези уговорки нека сега започнем нашия филм.

ПЪРВИ КАДЪР. Температурата на Вселената е 100 милиарда градуса по Целзий/10¹¹ ᴼC/ . Вселената е по-проста и по-лесна за описание, отколкото ще бъде когато и да е занапред. Тя е пълна с една неразделима супа от вещество и лъчение, всяка частица от която се сблъсква много често с другите. Така въпреки бързото си разширение Вселената е в състояние на почти идеално топлинно равновесие. Съдържанието на Вселената се подчинява следователно на законите на статистическата механика и не трябва да зависи въобще от това, което е ставало преди първия кадър. Всичко, което е нужно да знаем, е, че температурата е 100 милиарда по Целзий и че всичките запазващи се величини - електричен заряд, барионно число, лептонно число, са или много малки, или равни на нула. Преобладават частиците, чиято прагова температура е по-ниска от 100 милиарда по Целзий. Това са електронът и неговата античастица фотонът, позитронът, и, разбира се, частиците с нулева маса неутриното и антинеутриното. Вселената е толкова плътна, че дори неутриното, които могат да се разпространяват в продължение на години през оловни тухли, без да се разсеят, остават в топлинно равновесие с електроните, позитроните и фотоните посредством бързи сблъсквания с тях и помежду си. (Отново, когато имам предвид неутрино и антинентрино, понякога ще говоря просто за „неутрино“.)

Друго условие, което силно опростява разглежданията, е, че температурата 10¹¹ ᴼC е значително по-висока от праговата температура за електроните и позитроните. Това означава, че тези частици, както и фотоните и неутриното, се изявяват просто като различни типове лъчение. Каква е плътността на енергията на тези различни типове лъчение? Общата енергия на електроните и позитроните представлява 7/4 пъти енергията на фотоните и е равна на тази на неутриното и антинеутриното. Така плътността на пълната енергия е по-голяма от тази на енергията на чисто електромагнитното лъчение при същата температура с множител

7/4+7/4+1=9/2.

Законът на Стефан-Болцман  дава, че плътността на енергията на електромагнитно лъчение при температура 10¹¹ ᴼC е 4,72. 1044 електронволта в литър, така че плътността на пълната енергия на Вселената при тази температура е била 9/2 пъти по- голяма, или 21.1044 електронволта в литър. Това е еквивалентно на плътност на масата 3,8 милиарда килограма в литър, или 3,8 милиарда пъти плътността на водата при нормални земни условия. (Когато говоря, че дадена енергия е еквивалентна на дадена маса, разбира се, имам предвид, че това е енергията, която би се освободила съгласно формулата на Айнщайн E=mc2, ако масата изцяло се преобразува в енергия.) Ако връх Еверест беше изграден от толкова плътна материя, неговото гравитационно привличане би разрушило Земята.

Вселената от първия кадър бързо се разширява и охлажда. Скоростта й на разширение се определя от условието, че всяка нейна частица се отдалечава от всеки произволен център точно със скоростта на откъсване. При огромната плътност по време на първия кадър скоростта на откъсване също е съответствуващо по- висока - характерното време на разширение на Вселената е около 0,02 с. Характерното време на разширение може да бъде приблизително дефинирано като 100 пъти интервала от време, през който размерът на Вселената би нараснал с 1%. По-точно характерното време на разширение във всяка епоха е равно на реципрочната стойност на константата на Хъбъл през тази епоха. Възрастта на Вселената е винаги по-малка, отколкото характерното време на разширение, защото гравитацията непрекъснато забавя разширението.)

По време на първия кадър има и малък брой ядрени частици, около един протон или неутрон на всеки милиард фотони, електрони или неутрино. За да предскажем по-късно разпространеността на химическите елементи, образувани в ранната Вселена, ще се нуждаем и от съотношението на броя протони и неутрони. Неутронът е по-тежък от протона, като разликата в масите им е ек- вивалентна на енергия 1,293 милиона електронволта. Обаче характерната енергия на електроните, позитроните и т. н. при температура 10¹¹ ᴼC е много по-голяма - около 10 милиона електрон- Волта (равна на константата на Болцман, умножена по температурата). По такъв начин сблъскванията на неутроните или протоните с много по-многобройните електрони, позитрони и т. н. ще предизвикват бързи превръщания на неутрони в протони и обратно. Най-важните реакции са: антинеутрино плюс протон дава позитрон плюс неутрон(и обратно),  неутрино плюс неутрон дава електрон плюс протон (и обратно). При нашето допускане, че  колкото и антинеутрино и толкова позитрони, колкото и електрони, така че превръщанията на протон в неутрон са точно толкова бързи, колкото и тези на неутрон в протон. (Радиоактивното разпадане на неутрона тук може да се пренебрегне, защото трае около 15 минути, а сега ние работим с временен мащаб стотни от секундата.) Така равновесието изисква по време на първия кадър броят на протоните да е приблизително равен на този на неутроните. Тези ядрени частици все още не са свързани в ядра, защото енергията, необходима да разруши напълно едно типично ядро, е само от шест до осем милиона електронволта на ядрена частица, което е по-малко от характерните топлинни енергии при 10¹¹ ᴼC, и сложните ядра се разрушават толкова бързо, колкото се и образуват.

Естествено е да се запита колко голяма е била Вселената в съвсем ранните моменти. За съжаление ние не знаем това и дори не сме сигурни, че този въпрос има някакъв смисъл. Както посочихме в глава II, много е вероятно Вселената сега да е безкрайна. В такъв случай тя е била безкрайна и по времето на първия кадър и винаги ще бъде такава. От друга страна, възможно е Вселената сега да има обиколка с крайна дължина, оценявана понякога на около 125 милиарда светлинни години. (Обиколка е разстоянието, което трябва да се пропътува по права линия, преди да се достигне обратно точката на тръгване. Тази оценка е основана на сегашната стойност на константата на Хъбъл при предположение, че плътността на Вселената е около два пъти по-голяма от критичната си стойност.) Тъй като температурата на Вселената спада обратно пропорционално на нейния размер, обиколката на Вселената по време на първия кадър е била толкова пъти по-малка от сегашната, колкото е отношението на температурата тогава (10¹¹ ᴼC) към сегашната температура      (-270ᴼC), т. е. тя е имала дължина около четири светлинни години. Нито една подробност от историята на космическата еволюция през първите няколко минути обаче не ще зависи от това, дали обиколката на Вселената е била безкрайна, или пък дълга само няколко светлинни години.

ВТОРИ КАДЪР. Температурата на Вселената е 30 милиарда по Целзий. От първия кадър са изтекли 0,11 секунди. Нищо не се е изменило качествено Вселената все още се състои предимно от електрони, позитрони, неутрино, антинеутрино и фотони, всички намиращи се в състояние на топлинно равновесие и при температура, много по-висока от праговите им температури. Следователно плътността на енергията е спаднала просто както четвъртата степен на температурата до стойност около 30 милиона пъти по-голяма от тази, съдържаща се в масата на покой на обикновената вода. Скоростта на разширение е спаднала, както квадратът на температурата, така че сега характерното време на разширяване на Вселената се е удължило до около 0,2 секунди. Малкият брой ядрени частици все още не са се свързали в ядра, но със спадането на температурата сега за по-тежките неутрони езначително по-лесно да се превърнат в по-леките от тях протони, отколкото обратното. В резултат на това балансът на ядрените частици се е изменил до 38% неутрони и 62% протони.

ТРЕТИ КАДЪР. Температурата на Вселената е 10 милиарда по Целзий. От първия кадър са изтекли 1,09 секунди. По това време намаляващите плътност и температура дотолкова са увеличили средното свободно време на неутриното и антинеутриното, че те започват да се държат като свободни частици, които не са повече в топлинно равновесие с електроните, позитроните или ротоните. Оттук нататък те ще престанат да играят някаква активна роля в нашата история с изключение на това, че тяхната енергия ще продължии да бъде част от източника на гравитационното поле на Вселената. Нищо друго няма да се измени, когато неутриното излязат от топлинно равновесие. Преди това откъсване типичните дължини на вълната на неутриното са били обратно пропорционални на температурата и тъй като тя е спадала обратно пропорционално на размера на Вселената, то дължините на вълната на неутриното са нараствали право пропорционално на размера на Вселената. След откъсването на неутриното те ще се разширяват свободно, но общото червено отместване все още разтегля техните дължини на вълната пропорционално на размера на Вселената. Това показва впрочем, че не е толкова важно да се определи точният момент на неутринното откъсване, което е добре дошло, защото той зависи от детайли на теорията на неутринните взаимодействия, които не са напълно установени. Плътността на пълната енергия е по-малка, отколкото е била в предишния кадър с четвъртата степен на отношението на температурите, така че сега тя е еквивалентна на плътност на масата, 380 000 пъти по-голяма от тази на водата. Характерното време на разширение на Вселената съответно е нараснало до около две секунди. Температурата сега е само два пъти по-висока от праговата температура за електроните и позитроните, така сега те тъкмо започват да анихилират по-бързо, отколкото могат да възникват отново от лъчението.Все още е твърде горещо, за да могат неутроните и протоните да се свържат в атомни ядра за някакво значително време. Спадащата температура сега позволява претон-неутронният баланс да се измени до 24% неутрони и 76% протони.

ЧЕТВЪРТИ КАДЪР. Температурата на Вселената сега е 3 милиарда градуса по Целзий. От момента на първия кадър са изтекли 13,82 секунди. Сега се намираме под праговата температура за електроните и позитроните, така че те започват бързо да изчезват като главни съставни елемента на Вселената. Освободената при тяхната анихилация енергия е забавила скоростта, с която все- лената се охлажда, така че неутриното, които не получават нищо от тази допълнителна топлина, сега са с 8% „по-студени“ от електроните, позитроните и фотоните. Оттук нататък, когато говорим за температурата на Вселената, ще имаме предвид температурата на фотоните. Поради бързото изчезване на електроните и позитроните плътността на енергията на Вселената сега е малко по- малка, отколкото би била, ако просто намаляваше като четвъртата степен на температурата(Закон на Стефан – Болцман). Сега е вече достатъчно прохладно, за да се образуват различни устойчиви ядра, подобни на това на хелия (Не), но това не става веднага. Причината е, че Вселената все още се разширява толкова бързо, че ядрата могат да се образуват само в резултат на поредица от бързи двучастични реакции. Например един протон и един неутрон могат да образуват ядро на тежкия водород, или деутерия, като допълнителната енергия и импулс се отнасят от един фотон. Деутериевото ядро може след това да се сблъска с протон или неутрон, образувайки или ядро на лекия изотоп хелий три (Не), състоящо се от два протона и един неутрон, или ядро на най-тежкия изотоп на водорода, наречен тритий ("Н), състоящо се от един протон и два неутрона. Най-накрая ядрото хелий три може да се сблъска с неутрон или тритиевото ядро с протон, като и в двата случая се образува ядро на обикновения хелий (Не), състоящо се от два протона и два неутрона. Но за да се осъществи тази верига от реакции, е необходимо да се започне с първата стъпка - образуването на деутерия.

Обикновеният хелий има здраво свързано ядро, което, както казах, действително може да издържи при температурата на третия кадър. Тритият и хелий три и особено деутерият са много по-слабо свързани. (За да се разруши ядрото на деутерия, се изисква девет пъти по-малко енергия, отколкото необходимата за откъсване на една отделна ядрена частица от ядрото на хелия При температурата на четвъртия кадър, 3 милиарда градуса по Целзий, ядрата на деутерия се разпадат веднага след образуването си, така че няма никаква възможност да се образуват по-тежки ядра. Неутроните все още продължават да се превръщат в протони, макар и много по-бавно отпреди. Съотношението сега е 17% неутрони и 83% протони.

ПЕТИ КАДЪР. Температурата на Вселената сега е един милиард градуса по Целзий, т. е. само около 70 пъти по-висока, отколкото в центъра на Слънцето. От първия кадър са изтекли три минути и две секунди. Повечето от електроните и позитроните са изчезнали и главните съставни части на Вселената сега са фотоните, неутриното и антинеутриното. Енергията, освободена при електрон-позитронната анихилация, е придала на фотоните температура с 35% по-висока от тази на неутриното! Вселената сега е достатъчно прохладна, за да не се разпадат ядрата на трития, на изотопа хелий три, както и на обикновения хелий, но „деутериевото препятствие“ все още действува ядрата на деутерия не могат да се запазват цели достатъчно дълго време, за да позволят изграждането на значителен брой по-тежки ядра. Сблъскванията на неутрони и протони с електрони, неутрино и техните античастици сега са твърде редки, но започва да става важно разпадането на свободните неутрони; за всеки 100 секунди 10% от оставащите неутрони ще се превръщат в протони. Неутрон-протонният баланс сега е 14% неутрони и 86% протони.

МАЛКО ПО-КЪСНО. В един момент скоро след петия кадър се случва драматично събитие - температурата спада до точка, при която ядрата на деутерия могат да се запазват цели. След като веднъж е преодоляно деутериевото препятствие, става възможно твърде бързо изграждане на по-тежките ядра чрез веригата от двучастични реакции, описана в четвъртия кадър. Обаче поради други „препятствия“ не се образуват значителен брой ядра, по-тежки от хелиевото не съществуват устойчиви ядра с пет или осем ядрени частици. Следователно, щом като температурата достигне точката, където деутерият може да се образува, почти всички оставащи неутрони веднага биват преработени в хелиеви ядра. Точната температура, при която това се случва, зависи слабо от броя ядрени частици на фотон, защото една висока тяхна плътност би улеснила малко образуването на ядра. (Ето защо аз трябваше да определя този момент не особено точно като „малко по-късен" от петия кадър.) За един милиард фотона на ядрена частица ядреният синтез ще започне при температура 900 милиона градуса по Целзий. В този момент от първия кадър са изминали три минути и четиридесет и шест секунди. (Читателят ще трябва да ми прости неточността, че съм озаглавил тази книга "Първите три минути". Но това звучи по-добре, отколкото „Първите три цяло и три четвърти минута“.) Точно преди да започне ядреният синтез, неутронното разпадане би трябвало да е отместило неутрон-протонния баланс до 13% неутрони към 87% протони. След ядрения систез тегловият дял на хелия е точно равен на този на всички ядрени частици, свързани в неговите ядра. Тъй като половината от тези частици са неутрони и в същност всички неутрони са свързани в хелиеви ядра, този теглови дял е просто удвоеният дял на неутроните сред ядрените частици, или около 26%. Ако плътността на ядрените частици е малко по-висока, ядреният синтез ще започне малко по-рано, когато са се разпаднали не чак толкова много неутрони. Тогава ще се образува малко повече хелий, но вероятно не повече от 28 тегловни процента.