Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Это особое свойство вакуума имеет прямое отношение к инфляционному сценарию и механизму Большого взрыва. В настоящее время нет одной общепринятой инфляционной модели. Ранняя Вселенная, расширяясь и охлаждаясь, может оказаться в состоянии с огромной, даже планковского масштаба (1О"4 г/смз), вакуумной плотностью, либо в момент фазового перехода со спонтанным нарушением симметрии, либо за счет квантовых флуктуаций. Во всех вариантах модели вакуум формируется однородным и медленно меняющимся скалярным по- 444 Глава 10.
Нуклеосилтез и Вселенная лем (т. е. полем, квантами которого являются частицы с нулевым олином, типа бозонов Хиггса). Поскольку уравнение состояния такого вакуума, связывающее плотность и давление, имеет вил р — рс~, то Вселенная наделяется огромным отрицательным давлением. Это отрицательное давление, эквивалентное мощному гравитационному отталкиванию, является причиной возникновения взрывного (зкспоненциально зависящего от времени) расширения Вселенной, по-существу, «запуская» механизм Большого взрыва.
В простейшем варианте инфляционный сценарий в ранней Вселенной схематически выглядит следующим образом. Вселенная, внезапно оказавшись в состоянии физического вакуума с огромной плотностью (например, в момент фазового перехода), получает возможность перейти в новое вакуумное состояние с более низкой энергией, возникшее в результате этого фазового перехода (истиниый вакуум). Этот «скатывание» из начального вакуумного состояния (называемого вакуужолодобным или лолгным вакуумом) в истинное, т.е. перестройка вакуума, совершается на фоне в целом его высокой плотности, что приводит к экспоненциальному раздуванию Вселенной.
Процесс завершается колебаниями скалярного поля вокруг нового вакуумного среднего. В процессе этого колебания огромная энергия, запасенная в вакууме, освобождается и идет на рождение пар элементарных частиц, т. е. на разогрев Вселенной. Вакуум перестает доминировать, и экспоненциальное раздувание Вселенной сменяется замедляющимся (инерционным) расширением, вызванным обычной гравитацией. Опустошенная и охлажденная инфляцией Вселенная разогревается до температур порядка температуры Великого объединения (гл. 11, з 1). и заполняется высокоэнергичными частицами, античастицами и излучением — продуктами распада вакуумоподобного состояния.
В этом море новых частиц практически не осталось старых (доинфляционных). Вновь рожденные «горячие» частицы взаимодействуют друг с другом, устанавливается термодинамическое равновесие и дальнейшая эволюция происходит согласно Стандартной модели горячей Вселенной (см, ниже). Использование в рассматриваемом сценарии скалярного (хиггсовского) поля обеспечивает реализацию в остываюшей Вселенной механизма возникновения у частиц масс при прохождении стадий со спонтанным нарушением симметрии. Как видно из табл.
10.3, расширение Вселенной не приводит к убыванию плотности энергии е = рс' вакуума (скалярного поля). Это соответствует особому уравнению состояния р = -роз, присущему скалярному полю. Действительно, согласно первому закону термодинамики изменение энергии в элементе объема г' при расширении компенсируется работой сил давления: д(е$') + р»П' = О.
Откуда с учетом р = -е имеем )где+ а»гг' — еда' = О, 445 В 4. Первые мгновения Вселенной т. е, Ие = О. Поэтому г (и р) при расширении не меняется. Таким образом, уменьшение плотности энергии при увеличении элемента объема компенсируется за счет отрицательной работы, совершаемой этим расширяющимся элементом объема. Сделаем теперь ряд замечаний о реальности самого Большого взрыва.
Существует несколько прямых и наблюдаемых в настоящее время следствий событий далекого прошлого, подтверждающих концепцию Большого взрыва. Эти явления называются реликтовыми. Основные среди них: 1) микроволновое фоновое реликтовое излучение (температура 2,7 К); 2) высокая распространенность гелия ( 1/4 всех ядер по массе); 3) соотношение между числом барионов и фотонов 1О ~. Все зти особенности нынешнего мира могли сформироваться лишь в очень горячей и плотной Вселенной, т.е. в ранний период ее существования, когда еше не было ни галактик, ни звезд.
Наиболее убедительным подтверждением теории Большого взрыва явилось открытие в !965 г. Р Вильсоном и А. Пензиасом предсказанного за два десятилетия до этого Г Гамовым, Р Алфером и Р. Херманом реликтового микроволнового излучения. Форма спектра этого излучения соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Это излучение заполняет всю Вселенную.
Максимум его интенсивности приходится на длины волн около 0,1 см, Реликтовые фотоны это остывший отблеск когда-то очень горячей и яркой Вселенной, Соотношение между числом реликтовых фотонов и барионов (протонов и нейтронов) т 1О~; 1. Однако суммарная энергия реликтового излучения в настоящее время на три порядка меньше суммарной массы вещества в энергетических единицах, Помимо реликтовых фотонов должны существовать и реликтовые нейтрино примерно в том же количестве и с той же энергией. $4.
Первые мгновения Вселенной Вернемся к реликтовому излучению. Оно было свидетелем процессов, происходивших во Вселенной на самых ранних ее этапах. Ниже рассмотрим эволюцию горячей Вселенной в рамках Стандартной космологической модели. Современные космологические теории рассматривают эволюцию Вселенной, начиная с планновского момента 1и после Большого взрыва: (!0.8) Планковский момент отвечает «планковским условиям» вЂ” планковским энергиям частиц (10м ГзВ), планковсной температуре (10зз К), характерным расстояниям между частицами, равным лланковсной длине (!О з' см) и тганковской плотности ( 1Оз«г/см').
Диаметр Вселенной в этот момент 446 Глава 1О. Нуклеосинтез и Вселенная был всего лишь несколько микрон. Привычные представления о пространстве и времени вряд ли применимы к столь экстремальным условияль Происходит распад на кванты единого непрерывного пространства-времени (линейно-временной масштаб этих квантов соответствует вышеприведенным планковским значениям). Квантовые флуктуации пространства- времени, по-видимому, лишают смысла понятия прошлое», «будущее», «причинность». Квантовые флуктуации при 1 < ГО «з с могли стать причиной возникновения крупномасштабной структуры Вселенной.
Для времен, больших планковских (! ) !и), сценарий эволюции взаимолействий предсказывается современными едиными теориями (гл. 11). Соединение стандартной космологии и елиных теорий позволяет, начиная с планковского момента, воспроизвести эволюцию остывающей Вселенной (табл. 10.4). Для связи между собой физических величин в различные моменты времени, помимо формул (10.!), удобно использовать следующие соотношения для средних энергий Е частиц и характерных расстояний г между ними: 2 !О'« Е1ГэВ) 1О Т1К), г!см) . (10 9) Ц ГэВ) Первое из них следует из хорошо известной формулы Е 'кТ, а второе— из соотношения неопределенностей г рс = г .
Е Ьс. Сразу после планковского момента (г ) 1и) единое поле распалось и от него отделилось гравитационное взаимодействие. Интервал 10 «з- 10 з~ с соответствует эпохе Великого объединения трех взаимодейсгвий— слабого, электромагнитного и сильного. Момент !О зь с отвечает концу Великого объединения. При этом отделяется сильное взаимодействие. Конец Великого объединения наступает при Т !Ом К, характерных энергиях частиц 10м ГэВ и масштабах расстояний !0 ~~ см. Составляющими Вселенной врассматриваемый период(10 аз-10 за с) были все известные фундаментальные частицы, включая их гипотетических суперпартнеров.
Все частицы безмассовы. В момент крушения Великого объединения переносчики сил Великого объединения Х- и )г-бозоны приобретают массы 10м-10м ГэВ/са, остальные частицы остаются безмассовыми вплоть до 1О 'а с, когда нарушается электрослабая симметрия и происходит разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. При этом кварки, лептоны и промежуточные бозоны (И'ь, Я) приобретают массы.
Концу электрослабого объединения соответствует Т = 10" К, энергии частиц ! 00 ГэВ, масштабы расстояний 1О и см. За счет аннигиляции и распада Х- и У-бозоны и их античастицы при ! > 10 и с исчезают. Вначале вещество имело столь высокую температуру, что кварки не могли объединиться в адроны, так как высокая тепловая энергия вновь разрушала их. К 10 ь с Вселенная охладилась настолько (Т = 1О" К), что стало возможным слияние кварков в адроны. Произошел кварк-адронный фазовый нергход с образованием адронов и антиадронов, интенсивно взаимодействующих между собой.
! ! ! ! ' ! ! 447 в 4. Первые мгновения Вселенной гаоляна ! 0.4 Догалактические этапы эвазюции Вселенной ' Время после Характерные! Характерные Этап/Событие Большого температуры,, расстояния взрыва К: см <10 и > 10п <10 4'с 1О 4'с 10 " 1032 1О 44-10 44 с !О-и-!Огм !Оп (ом !О нс 10 н 1О!' !О!5 !О-!6 10 '4 !Оп !О!! Рон ' !0-44 !О '4-10 4 с Лептонная эра. Рожление !Оп 1о!4 !О-о !О-и !0-4 10 с и аннигиляция лептонов 2 ° !Он !О" 0,1-1 с !О '4-10 ! 10!4 104 нал веществом !О ' 10 40000 лет !О 4 3.!О'. 400 000 лет 10 'ес 10!с !Ос— 40000 лет Кваитовмй хаос. Суперсимметрия (объединение всех взаимодействий) Нланковскнй момент. Отделение гравитационного взаимолействия Великое объединение (электрослабого и сильного взаимолействий) : Конец Великого объединения.
! Разделение сильного : и электрослабого взаимодействий Конец электрослабого объединения Кварк-алронимй фазовый переход Алроппая зра. Рождение и аннигиляция адронов и лептонов Отделение нейтрино. Вселенная становится прозрачной для нейтрино (антинейтрино) Раднаннониая зра. Доминирование излучения Начало зрм вещества. Вещество начинает доминировать, над излучением Обрамеание атомов. Разделение вещества и излучения (Вселенная прозрачна лля излучения) Глава !О. Нуклеосинаез и Вселеялол Помимо распадов частиц основными процессами, идущими на самых ранних этапах горячей Вселенной, являются рождение у-квантами пар частица — античастица и аннигиляция этих пар, вновь приводящая к образованию т-квантов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
