Эволюция вселенной без слабого взаимодействия

Американские физики рассмотрели модель эволюции вселенной, которая похожа на нашу во всех отношениях, кроме одного — в ней нет слабого взаимодействия. Оказывается, что и в таком «обедненном» мире возможен первичный нуклеосинтез, приводящий к рождению водорода и гелия в «нашей» пропорции. В «неслабой» вселенной теоретически возможно даже возникновение жизни.

В последнее время космологи все чаще занимаются моделированием различных вселенных. Идейной основой этих усилий стали результаты Рафаэля Буссо и Джозефа Полчински, полученные на основе объединения теории суперструн с инфляционными космологическими моделями (R. Bousso, J. Polchinsky. Quantization of four form fluxes and dynamical neutralization of the cosmological constant // Journal of High Energy Physics, 6, p. 6. 2000). В этой работе показано, что инфляция рождает миры со множеством возможных состояний физического вакуума и тем самым со множеством базовых физических законов. Число таких состояний хотя и конечно, но чрезвычайно велико, по стандартной оценке порядка 10⁵⁰⁰. Такое разнообразие предоставляет теоретикам, желающим поиграть в господа бога, широкие возможности для конструирования самых экзотических вариантов мироустройства.

Недавно весьма любопытное упражнение этого рода выполнили американские физики Рони Харник, Грэм Крибс и Гилад Перес. Они рассмотрели эволюцию вселенной, которая похожа на нашу во всех отношениях, кроме одного — в ней нет одного из фундаментальных взаимодействий, существующих в нашей версии мироздания. Напомним, что в нашей Вселенной их четыре — сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (точнее, их сейчас четыре, в первые мгновения после Большого взрыва картина была иной, но эти тонкости сейчас можно оставить за кадром). Сильное взаимодействие обеспечивает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах, электромагнитное делает возможным существования электричества и магнетизма, слабое проявляет себя в бета-распадах, одной из форм радиоактивности. Слабое взаимодействие также играет важнейшую роль в термоядерных реакциях, которые протекают в звездных недрах. А про гравитацию вряд ли надо рассказывать, о ней и так все знают.

На рисунке показаны четыре фундаментальных взаимодействия, присутствующие в нашем мире. В гипотетическом мире Харника отсутствует третье из них. Однако, хотя в «неслабой» вселенной некоторые процессы, протекающие в нашем мире, невозможны, в ней тоже могут образоваться планеты, включающие в свой состав водород, кислород, углерод, азот, железо и почти все прочие элементы, от которых зависит земная биохимия. А значит, возможно и возникновение жизни. Изображение с сайта hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Каждое из четырех взаимодействий характеризуется своей собственной константой связи. У сильного взаимодействия она максимальна, порядка единицы. Константа связи электромагнитного взаимодействия — это постоянная тонкой структуры, которая почти точно равна 1/137. Константа связи слабого взаимодействия в безразмерных единицах оценивается как 10^–5, а константа гравитации — это всем известная ньютоновская постоянная, которая (опять-таки в переводе в безразмерную форму) примерно равна 6 × 10^–39. Таким образом, сильное взаимодействие и в самом деле самое сильное, а вот гравитационное — слабейшее.

В мире Харника и его соавторов присутствуют сильное, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, причем с теми же самыми константами, что и у нас. Имеются также электроны и позитроны, кварки первой группы u и d (из которых, напомню, состоят протоны, нейтроны и пионы) и странный кварк s, массы которых равны массам «наших» кварков этого типа. Оказывается, что и в таком «обедненном» мире возможен первоначальный нуклеосинтез, приводящий к рождению водорода и гелия в «нашей» пропорции (75% и 25% по числу атомов). Более того, в нём могут зажигаться звезды, которые рождают тяжелые элементы, а потом взрываются и рассеивают их по космическому пространству.

Это может показаться странным. В нашем мире внутризвездное термоядерное сгорание водорода начинается с превращения двух протонов в дейтрон (ядро дейтерия), позитрон и электронное нейтрино. Эта реакция возможна только при наличии слабого взаимодействия и в гипотетическом мире Харника и его соавторов совершенно «не идет». Однако параметры этого мира можно подобрать так, что в ходе первичного нуклеосинтеза значительная часть водорода (порядка 10%) рождается в виде его тяжелого изотопа (в нашей Вселенной процесс первичного нуклеосинтеза привел к возникновению примерно одного атома тяжелого водорода на 30 тысяч атомов обычного). Такой избыток дейтерия делает возможным превращение протона и дейтрона в ядро гелия-3 и гамма-квант, которое осуществляется на основе сильного взаимодействия. На следующих этапах ядра гелия-3 сливаются или друг с другом с образованием гелия-4 и пары протонов, или же с ядрами дейтерия, рождая гелий-4 и один протон. Суммарная реакция термоядерного синтеза выглядит так: два протона и два дейтрона переходят в ядро гелия-4 и опять-таки два протона.

Таким образом, в этой цепочке протоны катализируют реакцию термоядерного превращения двух ядер дейтерия в ядро гелия, которая быстро разогревает звездные недра. Такое повышение температуры запускает многочисленные цепочки рождения более тяжелых стабильных элементов вплоть до 38-го, стронция. Это означает, что в «неслабом» мире звездный нуклеосинтез приводит к возникновению почти всей первой половины нерадиоактивной части периодической системы, начитывающей 83 элемента — от водорода до висмута (элементы тяжелее висмута стабильных изотопов не имеют). Продолжительность жизни звезд в этом мире доходит до миллиардов лет — как и в нашем собственном.

В нашей Вселенной тяжелые элементы рассеиваются по космическому пространству в результате взрывов сверхновых. Как известно, сверхновые возникают или вследствие гравитационного коллапса выгоревших массивных звезд, ядра которых превосходят по массе предел Чандрасекара (примерно 1,4 массы Солнца), либо в результате аккреции вещества на поверхность белых карликов (сверхновые типа Ia). В процессах коллапса ключевую роль играет слабое взаимодействие, которое обеспечивает рождение нейтронных звезд и приводит к рождению нейтринных потоков, которые вносят важнейший вклад в динамику звездных взрывов. В «неслабом» мире такие процессы невозможны, однако возникновение аккреционных сверхновых вполне реально, поскольку там энергию для взрывов создают термоядерные реакции. Таким образом, в экзотической «неслабой» вселенной всё же имеется действенный механизм высвобождения тяжелых элементов в космическое пространство.

В дальнейшем судьба этих элементов оказывается примерно такой же, что и в нашем мире. Они входят в состав газо-пылевых облаков, из которых формируются звезды второго поколения и их планеты. Эти планеты будут включать в свой состав водород, кислород, углерод, азот, железо и почти все прочие элементы, от которых зависит земная биохимия. Следовательно, в «неслабой» вселенной, в принципе, возможно даже возникновение жизни.

Источник: Roni Harnik, Graham D. Kribs, Gilad Peres. A universe without weak interactions // Physical Review D, 74, 035006, 2006 (статья доступна также как hep-ph/0604027).