Що відбувалося в перші секунди існування Всесвіту?

Камери не знімали першу секунду Всесвіту. Проте ми можемо перевіряти розповідь про неї: фізика частинок передбачає, які сліди гаряча речовина мала залишити в пізнішому космосі. У стандартній гарячій моделі ранній Всесвіт був щільним середовищем частинок і випромінювання. Розширюючись, він охолоджувався; через це змінювалися склад речовини й темп реакцій.

Тут важлива послідовність причин, а не список надточних дат. Протон, ядро гелію та нейтральний атом — різні структури, які не виникли одночасно. А найраніші гіпотези не мають такої самої перевіреності, як фізика, що пов’язує перші секунди з кількістю легких елементів. Particle Data Group: що перевіряє первинний нуклеосинтез, §24.1–24.2.

Гаряче означає: зіткнення можуть змінювати склад

У звичайному газі підвищення температури робить рух частинок енергійнішим. У надзвичайно гарячому ранньому середовищі зіткнення могли ще й породжувати пари частинок та античастинок, якщо вистачало енергії. Відбувалися також зворотні перетворення. Тому це не був набір готових атомів, який просто розлітався.

Температура визначає характерний масштаб енергії. Коли вона зменшується, утворення важких пар стає менш ефективним, а склад середовища змінюється. Тут «енергія перетворюється на частинки» — стислий опис фізичних процесів зі збереженням енергії та інших необхідних величин, а не поява речовини без причини. PDG: теплове середовище та склад випромінювання, §22.3.1–22.3.2.

Охолодження не вимагає холодної кімнати навколо Всесвіту. Під час розширення зменшуються енергії вільного випромінювання; частинки взаємодіють і перерозподіляють енергію. Для теплового опису важливо знати, які види частинок ще підтримують спільну рівновагу.

Ще до секунди з’явилися протони й нейтрони

За дуже високої температури кварки й глюони не були замкнені всередині окремих протонів та нейтронів. Кварки — складники цих частинок, а глюони переносять сильну взаємодію. Стан із незамкненими в окремих адронах кварками та глюонами називають кварк-глюонною плазмою.

Коли космічне середовище охололо, сильна взаємодія зв’язала кварки в складені частинки, зокрема протони й нейтрони. У стандартній тепловій історії це відбувалося на масштабі мікросекунд — мільйонних часток секунди. Це приблизний масштаб епохи, не дата раптового всесвітнього клацання. CERN: кварк-глюонна плазма й охолодження.

У колайдерах досліджують крихітні короткоживучі краплі такого стану речовини. Це перевіряє властивості сильної взаємодії за високих температур; колайдер не створює весь ранній Всесвіт і не фотографує його минуле. Космологічна реконструкція додатково потребує моделі розширення. Самого ідентифікованого космічного релікту кварк-адронного переходу, який задав би його докладну хронологію, цей лабораторний результат не дає. PDG: межа перевіреної реконструкції, §24.6.

На схемі події стоять у порядку охолодження. Однаковий розмір карток не означає однакову тривалість епох.

Три опори гарячої історії

Масштаб мікросекунд
Кварки → складені частинки
Охолодження допускає зв’язування кварків у протони й нейтрони.
Перевірка: лабораторна мікрофізика + космологічна модель. Не ідентифікований космічний релікт цієї епохи.
Район першої секунди
Реакції відстають
Слабкі перетворення вже не підтримують попередню рівновагу; нейтрино поступово відокремлюються.
Перевірка: вплив темпу реакцій і розширення на подальшу кількість легких елементів.
Перші хвилини
Утворюються легкі ядра
Пізніший ядерний склад зберігає інформацію про попередні умови. Нейтральних атомів ще немає.
Перевірка: порівняння передбачених первинних поширеностей зі спостереженнями; є проблема літію.

Схематичні опори стандартної гарячої моделі, не фотографії та не рівномірна часова вісь. Дати приблизні, процеси поступові. Крапки умовні: вони не передають кількості, розміру чи реальних траєкторій частинок. Колайдерні результати й космологічні сліди мають різну роль у перевірці.

Біля першої секунди реакції почали відставати

Якщо частинки часто стикаються й перетворюються, їхній склад встигає пристосуватися до температури. Але розширення змінює умови. Коли потрібні взаємодії стають надто рідкісними порівняно з цим темпом, попередня рівновага перестає підтримуватися.

Приблизно в районі однієї секунди, за температури порядку 1 МеВ — близько десяти мільярдів кельвінів — слабкі реакції перетворення нейтронів і протонів втрачають здатність підтримувати їхнє рівноважне співвідношення. Це називають замерзанням реакцій, хоча середовище залишається неймовірно гарячим. Менше нейтронів переживає час до утворення легких ядер, бо вільні нейтрони можуть розпадатися. PDG: конкуренція реакцій і розширення, §24.2.

У цій же області теплової історії нейтрино поступово перестають ефективно обмінюватися енергією з рештою плазми. Це відокремлення нейтрино, а не зникнення нейтрино. Воно й замерзання співвідношення нейтронів та протонів пов’язані слабкою взаємодією, проте не є однією миттєвою подією. PDG: нейтрино й рівновага, §22.3.3.

Відгалуження · Зі співвідношеннямНеобов’язково · можна пропустити

Чому вдвічі холодніше не означає вдвічі пізніше

Розгляньмо навчальний відрізок епохи, коли переважає випромінювання, розширення адіабатичне, а ефективний набір теплових частинок не змінюється. Масштабний фактор $a$ описує зміну космічних відстаней. У цьому наближенні:

a\propto t^{1/2},\qquad T\propto a^{-1}.

Отже, $t\propto T^{-2}$ . Для двох умовних станів з температурними енергіями $k_{\mathrm B}T_1=10\ \text{МеВ}$ та $k_{\mathrm B}T_2=5\ \text{МеВ}$ :

\frac{t_2}{t_1} =\left(\frac{T_1}{T_2}\right)^2 =4.

$t$ — космічний час моделі, $T$ — температура, $k_{\mathrm B}$ — стала Больцмана. МеВ тут вимірюють енергію $k_{\mathrm B}T$ , а не сам час. Це відношення безрозмірне; у межі однакових температур воно дорівнює одиниці.

Не продовжуй цю просту залежність через усі переходи складу речовини. Коли види частинок виходять із теплового середовища або змінюють обмін енергією, потрібні поправки. PDG: розв’язок для випромінювання, рівняння 22.18; температурний годинник, 22.43–22.44.

Ми перевіряємо сліди, а не дивимося запис

За перші хвилини реакції утворили легкі ядра. Їхні передбачені кількості залежать від попереднього темпу розширення та частинок у середовищі. Порівняння з первинними поширеностями елементів тому перевіряє фізику перших секунд. Успіх значний, але не бездоганний: зокрема, літій залишається окремою проблемою зіставлення теорії та спостережень. Нейтральні атоми сформувалися набагато пізніше; ядро ще не є атомом з електронною оболонкою. Для цієї пізнішої епохи див. PDG: останнє розсіяння, §22.4.1. PDG: огляд нуклеосинтезу.

Відгалуження · Межі знаньНеобов’язково · можна пропустити

Де надійна реконструкція переходить у відкриті питання

Інфляція — гіпотеза про дуже ранній період прискореного розширення, яка пропонує пояснення початкових умов гарячої епохи. Існують різні інфляційні моделі. Це не дозвіл приписати одній із них точну підтверджену дату або вважати, що відомо все до нульової секунди. PDG: інфляція як гіпотеза та її мотиви, §23.1.

Окреме питання — чому після взаємного знищення багатьох частинок та античастинок залишився невеликий надлишок речовини. Спостережувану перевагу речовини треба пояснити механізмом утворення асиметрії; саме слово «анігіляція» цього механізму не дає. CERN: проблема асиметрії речовини й антиречовини.

Ці прогалини не скасовують перевірені властивості гарячого середовища. Вони показують, чому різним частинам ранньої хронології потрібні різні позначки впевненості.

Перші секунди — це історія охолодження й зміни можливостей частинок: кварки утворюють складені частинки, частина реакцій перестає встигати за розширенням, а наступні ядерні процеси зберігають сліди цих умов. Для точного розрізнення частинки, ядра та атома можна повернутися до пояснення будови атома.