Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Этому моменту времени соответствует плотность материи р 1Ог' кг/мз и температура Т 10'з К. При указанной температуре будут рождаться нуклоны и антинуклоны, В самом деле, исходя из соотношения можно оценить массу частиц 1гТ ! 4 10 гз !О'з гп —; пг ' 1,6 10 кг сг ' (3. 10з» Полученное числовое значение массы совпадает с массой пзн нуклонов (протонов и нейтронов). Аннигиляция нуклон-антинуклонных пар даст излучение; частота этого излучения „,г, 6. 10-гг(3. 10згг Ю . Ю Ь 10-34 -!О с ! соответствуюшая длина волны с 3 10г Л=2гг —; Л 63 10 м. 1,6 10г4 В состоянии огромных значений плотностей, несмотря на быстрое расширение, нуклоны, антинуклоны и излучение успеют прийти в термодинамическое равновесие. Очевидно, что в этой системе будут присутствовать и частицы с массой, в 2 чг 3 раза превышаюшей нуклонную, т.е.
весь набор гицеронов. Такое состояние вешества реализуется в интервале времени 10 ь с < ! < 10 ' с от начала расширения; этот временной интервал называют адронной эпохой. Э 22. Крупнонасшшабная гидродинонина Вселенной 193 Поскольку нестабильные гипероиы распадаются за время порядка 10 'е с, в алронную эпоху должны «обитать» не только барионы, т.е. нуклоны н гипероны, но и продукты их распада: К- и я-мезоны. Последние за времена 10 'о + 1О а с распадаются на лептоны. Таким образом, адронную эпоху формировали все частицы: собственно адроны, лептоны и фотоны.
Заметим, что в адронную эпоху нуклонные ядра образовываться не могут, ибо равновесные фотоны с частотой ш 10м с ' обладают энергией йш 10 1О 1О Дж !О эВ, что значительно превышает энергию связи ядер (например, у ядра дейтерия, состояшего из протона и нейтрона, она имеет порядок 2 10е эВ). Такие жесткие 7-кванты мгновенно разрушают любые ядра. Перейдем к следуюшему этапу расширения. В этот период температура изменяется в пределах 1О'о К < Т < 10п К. Для рождения адронов уже не хватает энергии; все имеющиеся гипероны и мезоны распались; соответствующие друг другу нуклон-антинуклонные пары аннигилировали.
Из тяжелых частиц, согласно модели зарядово-несимметричной Вселенной, остался лишь относительно небольшой избыток Ьпн нуклонов, т. е. протонов и нейтронов. Напомним, что время жизни свободных нейтронов порядка 1ОУ с. Рассматриваемый временной интервал 10 4 с < ! < 1 с от начала расширения называют лептонной эпохой.
Это оправдано, ибо в этот период подавляющую долю частиц составляют стабильные лептоны: электронно-позитронные пары, электронные нейтрино и антинейтрино. Фотоны, лептоны и оставшиеся неспаренные нуклоны находятся в тепловом равновесии. К концу лептонной эпохи нейтрино практически перестают взаимодействовать с вешеством системы. В дальнейшем нейтринный газ только охлаждается (из-за аднабатного расширения).
Ко времени нашей эпохи температура нейтринного газа должна снизиться до Т в 2 К зг), Поскольку в лептонную эпоху средние энергии теплового движения заключены в интервале !О эВ < ИТ < ! О эВ, образованием нуклонных ядер практически можно пренебречь. В следующую эпоху расширения, занимающую период времени 1с < ! < 1Ое лет, остается в основном излучение, находящееся в равновесии с небольшой примесью электронов и нуклонов. Временной интервал 1 с < ! < 100 с, когда температура изменяется в пределах 10в К < Т < !О'а К, связан с интенсивным образованием легчайших ядер: дейтерия (соединение протона с нейтроном), гелия (соединение двух протонов и двух нейтронов).
Свободные нейтроны, не успевшие вступить в ядерные реакции синтеза, ко времени ! 1О с преврашаются в протоны, т. е. ядра обычного водорода. В результате 35) !Обнаружение таких «хояодных» нейтрино — вероятнее всею, вавича дхя эксиерннеитагоров будпиего. 194 й 22. Круононасшаобноя годродонониха Вселенной образуется, как показывают расчеты, следуюшее соотношение по массе межау ядрами: 30% ядер гелия и 70% ядер водорода. Заметим, что результаты анализа данных наблюдений распространенности элементов довольно хорошо согласуются с этими предсказаниями рассмотренной горячей модели Вселенной.
В течение последуюших 1О лет температура дозвездной среды остается еше довольно высокой (ее интервал изменения 10з К < Т < 10~ К). Состояние вешества этой среды — плазма. Лишь при температурах 3500 —: 4000 К начинается процесс рекомбинации: протоны, дейтоны и ядра гелия присоединяют к себе свободные электроны н становятся нейтральными атомами водорода и гелия. Равновесные фотоны с температурой Т < 3500 К уже не способны к ионизации атомов водорода и гелия. Фотонный газ практически перестает взаимодействовать с вешеством и составляет тот фон равновесного излучения, который, остывая при дальнейшем адиабатическом расширении, принял к настоящему времени температуру Т и 2,7 К. Вот почему обнаруженное фоновое тепловое излучение называют реликтовым, т.
е. оставшимся от далеких времен. На определенном этапе обшего космологического расширения, во всяком случае после эпохи рекомбинации„в дозвездной газовой среде должны стать эффективными возмушения плотности и коллективные пщродинамические процессы. Образование галактик н нх скоплений, формирующих крупномасштабную ячеистую структуру Вселенной,— эти вопросы интенсивно изучаются исследователями. Здесь многое еше остается неясным. 22.2. Иерархия структур во Вселенной Почему во Вселенной имеется вещество и нет антивешества? Эта загадка является вызовом современному естествознанию. Из всех наук о природе на поставленный вопрос пытаются дать ответ лишь специалисты по физике элементарных частиц, Само вещество Вселенной образовано, как уже отмечалось, из избытка нуклонов над антинуклонами.
Все остальное первородное взаимно компенсирующее вешество-антивешество аннигилнровало, породив фоновое электромагнитное излучение. Как будет эволюционировать Вселенная? Согласно современной теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном, расширение Мира сменится его сжатием, при условии, что усредненная плотность всей космической материи будет больше некоторой критической плотности. Если же окажется, что имеет место обратное неравенство или равенство для указанных величин, то Вселенная будет неограниченно расширяться.
Однако нахождение усредненной плотности материи в нашей Вселенной — дело будущего, ибо есть много форм скрытого неизлучаюшего вешества. После этих необходимых замечаний перейдем к рассмотрению поведения самой кослгической среды. В очень больших масштабах 1каких именно, будет сказано в дальнейшем) вешество Вселенной распределено Э 22. Крупномасштабная гидродономона Вселенной 195 однородно и изотропно. Об этом свидетельствует характер реликтового излучения.
Фрагментация (распад на обособившиеся части) однородно распределенного вещества началась после эпохи рекомбинации, когда произошло разделение электрически нейтральной материи и излучения. Дело в том, что до эпохи рекомбинации излучение было «связано» с плазменной космической средой, в силу интенсивного их взаимодействия. По этой причине излучение создавало значительное внутреннее давление.
Вследствие чего, развитие так называемой гравитационной неустойчивости, т. е. конденсации вещества под влиянием собственного поля тяготения, тормозилось высоким давлением излучения. После образования двух независимых подсистем — вещества и излучения — само вещество стало податливым к гравитационным возмущениям. Однородная среда с плотностью р 10 м кг/мз стала распадаться на огромные газовые облака — будущие скопления галактик, так называемые протоскопления. Естественно, что гравитационные возмущения носили случайный характер, поэтому движение среды внутри облака, вообще говоря, было турбулентным. Само турбулентное состояние, возникающее из-за потери устойчивости упорядоченного движения при достаточно больших значениях чисел Рейнольдса Ве, характеризуется разбиением, в целом правильного регулярного течения на отдельные хаотически движущиеся области. При этом «фрагментация» потока идет таким образом, что крупномасштабные области распадаются на все более мелкие.
Значения чисел Ве в крупных и средних «фрагментах» остаются еще достаточно высокими, так что роль вязкости для них исчезающе мала. Лишь для самых малых «фрагментов» турбулентного потока вязкость переводит энергию движения в тепло. Теперь становится понятным, почему протоскопления, в условиях гравитационной неустойчивости, распадаются на изолированные протогалактики. Поскольку же турбулентность сопровождается вихревым движением, то ясно и происхождение спиральных (вихревых) галактик.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
