Важнейшими из них были ядерные реакции, происходившие при большой плотности в первые минуты расширения. Следствием их явилось образование легких химических элементов. Расчет ядерных реакций дает возможность предсказать химический состав вещества, из которого впоследствии формировались небесные тела.

Есть две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения вещества Вселенной: вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Исторически первой еще в 30-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.

Ядерная физика тогда только начинала развиваться. В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение приводит к противоречию с наблюдениями. Дело заключается в следующем. 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. Известно, что большая часть вещества Вселенной состоит из водорода, а не из гелия.

Наблюдения распространенности химических элементов в природе отвергают гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

В 1948 г. в США была опубликована работа Г. Гамова, а затем и другие его работы и работы его коллег Р. Альфера и Р. Германа, в которых предлагался «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной. Основная цель авторов гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы рассматривая ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов.

Стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в начале расширения было в 40-е годы естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2—4 миллиарда лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла. Сравнивая возраст Вселенной в 2—4 миллиарда лет с оценкой возраста Земли — около 4—6 миллиардов 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, Солнца и других тел уже не было времени.

Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Необходимость объяснения происхождения всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной, отпала. Однако, суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.

С другой стороны, исследования показали, что 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. Основным же элементом Вселенной, является водород. Его доля по массе составляет примерно 70%. На долю остальных элементов приходится совсем немного.

Основная идея теории Гамова состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 с после начала расширения температура была около 30 миллиардов Кельвинов. В 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 «котла» 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 к этому моменту доля нейтронов в веществе составляет 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.

Так теория предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода, как основных химических элементов природы.

На гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 60-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я. Б. Зельдовичем. Он предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Я. Б. Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чисто водородную плазму. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в шестидесятые годы еще очень неопределенными.

Если бы теории ранней Вселенной можно было проверять только по распространенности химических элементов, то выяснить истину было бы сложно. Ведь не так-то просто разобраться сколько элементов, и в частности гелия, синтезировано в звездах, а сколько в ранней Вселенной. По-видимому, еще долго шли бы споры.

Однако, есть другой способ проверки. Теория Гамова предсказывает существование в сегодняшней Вселенной реликтового электромагнитного излучения[3]. Оно должно остаться от эпохи, когда вещество в прошлом было плотным и горячим. В ходе расширения это излучение остыло и сегодня должно иметь температуру 1—30 Кельвинов.

 Электромагнитное излучение со столь малой температурой является радиоволнами сантиметрового и миллиметрового диапазона.

Предсказание реликтового излучения в первых работах Г. Гамова, Р. Альфера, Р. Германа казалось должно было обратить на себя внимание астрофизике а те в свою очередь должны заинтересовать радиоастрономов-наблюдателей с тем, чтобы его попытаться обнаружить.

Но ничего подобного не произошло. Историки науки до сих пор гадают, почему долгие годы никто не пытался сознательно искать реликтовое излучение горячей Вселенной. Прежде чем обращаться к этим догадка напомним цепь фактических событий, приведших самому открытию.

В 1960 г. в США была построена антенна для приема отраженных радиосигналов от спутника «Эхо». К 1963 для работы со спутником эта антенна уже была не нужна и два радиоинженера — Р. Вилсон и А. Пензиас лаборатории компании «Белл» решили использовать для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупорный отражатель. Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих из космоса с широких площадок на небе. Он предназначался в первую очередь для измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики. Наблюдения велись на длине волны 7,35 см. Пензиас и Вилсон не собирались искать реликтовое излучение, да и о самой теории горячей Вселенной они тогда ничего не знали.