протонам и нейтронам присоединился избыток электронов, в точности равный числу протонов, ибо общий электрический заряд Вселенной остался равным нулю.
В это же время начался новый этап эволюции. Протоны и нейтроны сливались в ядра гелия до тех пор, пока не исчерпались все свободные нейтроны. Температура была уже недостаточной для того, чтобы разрушать образующиеся ядра. Но процесс образования ядер гелия шел медленно, так как они могли рождаться только путем случайных и достаточно редких встреч двух протонов и двух нейтронов.
Более надежный путь последовательных превращений, например через образование ядра дейтерия (при много более вероятной встрече одного протона и одного нейтрона с последующим превращением в тритий — путем присоединения еще одного нейтрона, или в легкий изотоп гелия — гелий-3 — путем присоединения к ядру дейтерия одного протона), не мог реализоваться, ибо при температуре в 3 миллиарда градусов все эти ядра распадались слишком быстро. Так быстро, что цепочка не успевала завершиться присоединением еще одной частицы, необходимой для появления устойчивого ядра гелия-4. Поэтому распад свободных нейтронов продолжался, и число их упало до 17 на каждые 83 протона…
Прошло 3 минуты и две секунды от начала нашего отсчета времени. К этому моменту температура упала до 1 миллиарда градусов, что всего в 70 раз больше, чем температура в недрах Солнца. После этого во Вселенной остались главным образом лишь фотоны и нейтрино со своими антинейтрино. Энергия, выделившаяся при аннигиляции электронов и позитронов перешла в фотоны, так что температура фотонов стала на 35 % выше температуры нейтрино, продолжавших участвовать в расширении Вселенной, практически без взаимодействия с остальными частицами. В конце этого этапа истории мира малое, по сравнению с числом фотонов и нейтрино, количество не аннигилировавших электронов оказалось равным количеству положительно заряженных ядер. Но температура в 109 К слишком велика для объединения ядер и электронов в атомы. Состояние электрической нейтральности существует до наших дней и будет существовать вечно. Ведь закон сохранения электрического заряда принадлежит к тем фундаментальным законам сохранения, случаев нарушения которых ни разу не зафиксировано.
Последний заслуживающий упоминания момент ранней истории Вселенной отстоит от нашего начала отсчета времени на 34 минуты и 40 секунд. К этому времени температура упала до 300 миллионов градусов, причем температура излучения за счет энергии, освобождавшейся при аннигиляции электронов и позитронов, теперь на 40,1 % превышает энергию нейтрино. Общая средняя плотность Вселенной всего на 9,9 % превышает плотность воды, причем 31 % ее относится к плотности нейтрино и антинейтрино, а 69 % составляет плотность фотонов. Плотность остальных частиц составляет ничтожную часть общей плотности Вселенной. Эти частицы присутствуют в форме свободных протонов и ядер гелия, причем последние составляют от 22 до 28 % от общего количества тяжелых частиц. Количество электронов точно равно количеству протонов (свободных и связанных в ядрах гелия), но ведь масса каждого электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Однако температура все еще слишком высока, чтобы электроны могли объединиться с протонами и ядрами гелия в атомы водорода и гелия.
Это состояние сохранялось в течение 700 000 лет. Вселенная продолжала расширяться и остывать. При этом не происходило никаких существенных изменений ее состава. Так продолжалось, пока ее размеры не достигли примерно тысячной части современных размеров, а температура не упала до 3000 К. При этой температуре электроны присоединились к ядрам, образовав нейтральные атомы гелия и водорода. Энергия большинства фотонов при этом была уже недостаточна для того, чтобы оторвать электроны от ядер. Вселенная стала практически прозрачной, электромагнитное излучение, заполнявшее Вселенную, теперь «отключилось» от вещества. Тепловое равновесие между ними нарушилось. Вещество и фотоны продолжали расширяться почти независимо. Именно с этого момента, продолжая остывать, сохранилось реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вилсоном…
Сценарий ранних этапов развития Вселенной составлен лауреатом Нобелевской премии Вайнбергом и опубликован в его замечательной книге «Первые три минуты».
Для того чтобы завершить эту часть нашего рассказа, нужно сказать подробнее о том, почему радиотелескопы зафиксировали реликтовое излучение с температурой 3°, а не 3000°, при которой излучение потеряло тепловой контакт с веществом Вселенной. Причиной является продолжающееся расширение Вселенной. Реликтовое излучение приходит к нам из всей «глубины» Вселенной, включая ее самые отдаленные части. Объем этих удаленных частей много больше, чем объем более близких областей. Ясно, что главная часть реликтового излучения приходит оттуда. Но красное смещение там очень велико, ведь скорости удаления многих галактик составляют половину и более от скорости света. Расчет показывает, что, просуммировав все излучение, приходящее к нам по каждому произвольному направлению, мы получим то, что дало бы абсолютно черное тело с температурой 2,96° выше абсолютного нуля.
Новейшие измерения дают несколько меньшее значение эквивалентной температуры реликтового излучения. Это еще одна из нерешенных загадок мироздания. Загадочным является малое (примерно на 20 %) отклонение от расчетной величины. Но в главном эксперимент хорошо согласуется с космологическими выводами теории относительности.
После «отключения» электромагнитного излучения от вещества, когда температура, уменьшаясь, перешла предел, при котором фотоны уже не могли эффективно взаимодействовать с частицами, и пространство стало практически прозрачным для электромагнитных волн, достигли значительных размеров случайные отклонения плотности вещества в пространстве от ее среднего значения. До этого плотность первичной смеси была повсюду практически одинакова, однородно уменьшаясь от первоначальных огромных плотностей. Теперь начали возникать местные сгущения. Это нарушило первоначальную устойчивую и однородную картину. Силы притяжения приводили ко все большей концентрации вещества в областях случайных сгущений. Так началось возникновение галактик, а затем и остальных небесных тел. Теперь в регулярном фридмановском расширении участвовали лишь центры масс местных сгущений. Возникли регулярные движения отдельных частиц относительно этих центров.
Новый эфир
Не следует считать, что процесс расширения, последовавший за Большим взрывом, можно рассматривать как распространение вещества и излучения в пространстве, бывшем до того пустым. Общая теория относительности показывает, что пространство чрезвычайно тесно связано с заполняющей его материей, существующей в нем в форме вещества и излучения. В процессе расширения участвует само пространство вместе с заполняющим его излучением и веществом.
Пытаясь выразить словами это глубокое свойство пространства, Эйнштейн называл его «новым эфиром», ибо местные движения частиц и целых звезд относительно центра соответствующей галактики являются движениями относительно расширяющегося пространства. Ведь неподвижны относительно этого пространства только центры тяжести таких огромных систем, как галактики.
Теория относительности, подчеркивающая значение относительных перемещений различных тел, показывает, почему невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение какого-либо отдельного тела, не привлекая для такого опыта другие тела. Это связано с тем, что пространство само по себе не имеет никаких «верстовых столбов», никаких отметин, по которым можно судить о движении. Лишь ускоренное движение
