Развитие ядерной физики в 1940-е годы позволило начать разработку теоретических моделей эволюции Вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже был достаточно надежно измерен по наблюдениям спектров звезд: в среднем они состоят на 2/3 из водорода и на 1/3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц – протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.
Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.
В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.
В 1946 в США «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной предложил физик русского происхождения Георгий Гамов (1904–1968). В 1948 была опубликована работа его сотрудников – Ральфа Альфера и Роберта Хермана, в которой рассматривались ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения с целью получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов. В те годы стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в первые мгновения эволюции вещества было естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2–4 млрд. лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла, вытекавшим в те годы из астрономических наблюдений.
Сравнивая возраст Вселенной в 2–4 млрд. лет с оценкой возраста Земли – около 4 млрд. лет, – приходилось предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах – процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли и других тел уже не было времени.
Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.
С другой стороны, содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом – в ограниченном количестве.
Основная идея теории Гамова как раз и состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 сек после начала расширения температура была около 30 млрд. K. В таком горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.
Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда кельвинов, некоторое количество возникающего дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Расчеты показывают, что температуру и плотность вещества можно согласовать так, чтобы к этому моменту доля нейтронов в веществе составляла около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные тяжелые частицы остались в виде протонов – ядер атомов водорода. Ядерные реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, температура ее вещества и излучения снижается. Из работ Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K.
Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.Казалось бы, решающим тестом для выбора между холодной и горячей моделями Вселенной мог стать поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.
