Космос- Журнал

Новости и статьи о космосе, астрономии и технологиях

12

ранних стадиях расширения Метагалактики, возродив работу Георгия
Гамова шестнадцатилетней давности.
Как указывалось ранее, наше описание работы Гамова было
отложено с тем, чтобы вначале проследить достижения звездной
схемы образования элементов. Теперь мы рассмотрим второе
направление [развития представлений о происхождении элементов].
Несмотря на осложнения, возникшие при развитии идеи Аль-
фера,- ока стала основополагающей для вывода Гамовым своей
чрезвычайно -простой и вместе с тем имевшей далеко идущие
последствия концепции. Он заметил, что ядерный синтез не может
происходить на наиболее горячей и очень плотной стадии ранней
Метагалактики, так как фотоны теплового излучения с высокой
температурой (не меньше 1010 К) обладают достаточной энергией,
чтобы разрушать связанные образования частиц. Только когда
температура снижается примерно до значения 109К, могут начаться
соответствующие ядерные реакции. Однако любой процесс синтеза
гелия должен завершиться в течение нескольких сотен секунд,
перед тем как свободные нейтроны в процессе бета-распада
превратятся в протоны.
Гамов рассмотрел цилиндрический объем (рис. 3), проходимый
нейтроном за время своего существования [до распада], обладая
тепловой скоростью, соответствующей температуре 10е К. Площадь
поперечного сечения цилиндра равняется сечению реакции по
захвату нейтрона протоном с образованием дейтрона. Если в ранней
Метагалактике весьма эффективно происходил синтез элементов,
то, как резонно заметил Гамов, некоторая часть, скажем, половина,
первоначальных нейтронов должна при столкновении с протонами
производить дейтроны до того, как нейтроны успеют претерпеть
бета-распад.
Таким образом, половина рассмотренных Гамовым цилиндров
будет содержать хотя бы по одному протону. Этот вывод позволил
определить число протонов в единице объема: А на основании
полученной оценки, используя также массу протона и количество ве-
13
щества, приходящегося на долю протонов (грубо оценивая, как
половину), Гамов получил плотность массы вещества в ранней
Метагалактике, характеризуемой температурой среды в 109К,— около
10"6 г/см3.
Далее он отметил, что плотность массы теплового излучения
с температурой Ю9К (т. е. плотность его энергии, деленная на с2) составляла примерно 10 г/см3 (сравните полученное значение с
10~б г/см3 для плотности массы вещества). Это делает излучение
доминирующим компонентом энтропии в ранней Метагалактике,
определяя такой характер охлаждения при ее расширении, как если
бы в ней отсутствовало вещество. В этом случае температура
будет меняться обратно пропорционально радиусу расширяющегося
элемента объема (R. С. Tolman: Oxford, Clarendon Press, 1934;
M., «Мир», 1974: P. J. E. Peebles: Princeton. University Press, 1971;
M., «Мир», 1974):
T-R-K (8)
Теперь поскольку плотность массы вещества р изменяется
обратно пропорционально кубу данного радиуса, мы можем
выражение (8) преобразовать к виду:
Т^р''* (9) или
(Г,/Г,)-(р,/р,) '>••
Это простое соотношение между температурой и плотностью
массы вещества справедливо до тех пор, пока излучение остается