Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Т. 1. Теория равновесных систем. Термодинамика (1185126), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Это решение объяснкло эксперимеитально обнаружеиную Э. Хабблом в !929 г. пропорциональность 'скорости разбегания галактик расстоянию до иих и тоже экспериментально установленный а 1922 г. В. Слайфером закон красного смешения, согласно которо- мУ'длина волны электромагнитного излучения Л, «свободно» распространяющегося во Вселенной, увеличивается с течением времени пропорционально параметру Я, Л' Я (т.е.
как бы одинаково с ним растягивается). Для того чтобы облегчить неспециалистам понимание всех этих явлений, теоретики придумали весьма наглядную (хотя и 'двумерную)' модель для замкнутой (но «бесконечной», ие имеющей границ) Вселенной; она вся как бы располагается на поверхности резинового возаушиопз шарика, который раздувается с течением времени, Сразу становится понятным, что во Вселенной нет выделенного центра, что закон Хаббла не зависит от точки наблюдения, что реликтовое излучение в любой точке «шарика» изотропно и т.д. Предположим теперь, что по причинам, которые мы выясним несколько позже, Вселенная была заполнена равновесным электромагнитным излучением, сушествуюшям .в ией квк бы независимо от неравновесных источников: звезд, скоплений масс и.т.д. Гак как число фотонов при сделанном предположении сохраняется .
$'* = соим, то их плотность и =, т'(У, В '. С другой стороны, мы знаем, что длп,равновесного,излучени» зга плотность числафотоноьпропорциональна кубу его , температуры и —, ар!„м мы получаем дхя иее й В ' г; х '!~ (аккуратный расчет коэффициента дает,для температуры Т, выраженной в единицах МэВ, при измерении времени существования Вселенной в секундах удобную формулу Т МэВ ж! 1 цз, перевод которой в шкалу градусов Кельвина дает Т К в 10'Е ! '/З). Отметим; что, иесмотрл нх, то что общее число фотонов у нас сохраняется, они распространяются не .9 свободной «полости», а в пространстве с распределенными в ней.массами, и передача энергии от фотонного газа веществу происходит ие за счет того,' что фотонЫ взаимодействуют с частицами этого вещества (поглощаются, испускаются И т.
п.), а за счет того, что они в своем движЕиии преодолевают поле тяготения, при дтом, естественно, теряют энергию и все время «стареют», йы 1 Так как объем, занимаемый этим излучением У - 21з, а температура его 8 .В ', то мы получаем, что с течением вреМени Уез = соим. С точки зрения равновесного излучения, находящегося в земных лабораторНых условиях„это— уравнение ааиабаты. В нашем же случае иет ни поршней, ни стенок, обеспечива- )ошиИ 'заданную величину У: система поддерживается замкнутой (фотоны из нее не выходят) силами находящихся в ней гравитируюших масс.
Рассмотрим теперь иде!о эволюции «горячей» Вселенной, предложенную Гамовым. В момент ее «рождения» ! = 0 решение Фридмана имеет сингулярность. Но зто р~швние получено с позиций неквантовой теории. если вспомнить идею Планка, возникшую еше в 1899''г. одновременно с введением им постоянной й = 2яй', о конструировании с помощью постоянной й„скорости света с и гравитационной 'постояйной у иекоторых универсальных квантово-гравитационных едииицдлины 1р в 5. 7ермодииеиочеоае лоизеициелы ' (среднего геоыетрического от комптоновскай длинм й/пзс и гравитационного рали- уса 7т/сз), времени 1д, плотности рр и т.дп 1р —— (/ — яг 5,11 ° 10 см; гр =, !р/с = у — 1,7 ° 1О с; 7" -зз . 17» -«з с' рр = — и 0,5 ° 1О г/смз, ы 7зй и фундаментальное в квантовом мире значение принципа неопределенности айзенберга (1927) (в отношении квантовой механики читатель уже зюлжен был, как студент 1У курса, овладеть уровнем «пешехода»), то станет ясно, что вряд ли можно говорить что-либо «определенное» в масштабах длины и времени, меньших !р и 1р, т.е.
в них само пространство — время в обычном смысле, по-видимому, еще не сушествует. Неопределенность же энергии (планковская единица энергии, определяющая одновременно и. единицу массы пзр и единицу частоты ыр): — — — йазр = — е 0,556. 1О эрг ге 4,03 1О К вЂ” !б з1 1Р !и 7 может' служить оценкой той «начальной» температуры Вселенной, когда характерный радиус Я составлял порядок 1р, плотность была порядка рр (напомним, что плтиость вещества атомных ядер в современном мире !х, 1О'«г/смз составляет 1О 'е часть от планковской), а время !р — «началом отсчета» классического решения Фридмана.
Остановимся теперь на каком-либо уже классическом этапе эволюции. Пусть, например ! 1О"з" с, радиус В 1О см (просто «апельсин»), температура Вселенной составляет Т ~!Оз" К. «Частиц» в обычном понимании при такой температуре в ней еше нет (лаже кларков'и т. и.). Эта первичная *плазма» состоит' из субвещестяа, электромагнитного и нейтринного излучений, причем плотноств энергии излучения подавляюще велика по сравнению с плотностью энергии протовещества. Согласно существующей теоретической и достаточно условной схеме происходящих в ней процессов (для Лас важна лишь идея этой схемы, поэтому никаких относящихся к ней подробностей и т.
п. мы не приводим), время релаксации, выравнивания плотностей и т. и. составляет всего лишь т 1д м с, т. е. на этом этапе 5волюции Вселенная уже существует как'термодинамическая квазиравновесная система. ' Отметим еше несколько этапных моментов этой модельной эволюции (моменты времени ! удобнее фиксировать температурой Т ° 1 пг). Прн Т ° 1О'З К (! 10 '«с) система представляет уже кварк-лептонную плазму; так как Т Ъ ш„сз (тр — масса протона), то протонов и нейтронов в ней еше нет.
Ааронная етмия эволюции начинается. при Т ° пзрсз !О'з К ° 940 МзВ (!" 1О 4 с,' плотность р 10м г/смз) — система состоит из протонов, нейтронов, их античастиц и находящегося с ним в равновесии излучения (электромагнитного и нейтринного). К концу этой стадии при Т < глрсз античастицы в основном саннигилировали (отношение числа нейтронов к чйслу протонов С /Ср 0,15) и остался избыток протонов (был ли этот избыток, составляющий на ранних стадиях ничтожную полю нуклонной среды, во Вселенной с самого начала или он образовался вслед:твие обнаруженной недавно асимметрии, составляющей всего лишь 0,3 %, реакций по отношению к замене частиц' на античастицы, это,для нашей проблемы уже несущественно). Этот избыток и составит потом весь видимый «материальный» мнр Гйава !.
Лксномслгцко иаяросиоличасясй лгермодцнамики Всйленной,ча такжл,электрон»пойнтРонг1ый..газ ь!.изв!гченйел находЯщеесЯ, .сг последним в состояний Равновесия. Прн Т < пь«сз., !О в К - 1, МзВ (пз,,—, масса электрона) позитроны в основном аннигилировали с избытком электронов. Эти„ процессы аннигиляции и Рождения пар связаны не только с рождрнием и поглоще- . нием 7-»нантов, но н с взаимодействием с полем нейтрино и антинейтрнно. При температуре Т < т,сз зтн процессы прекРащаются, И газ нейтрино (которь)й тОДЬКО, что был в термодинвмическом смысле равновесным) отделяется от остального веще-, ства (Вселенная становится лля. него прозрачной), образуя в последующем развитии всей системы реликтовый фон, проверить температуру Которого, к сожалению, мы не можем вследствие прозрачности наших Приборов по отношению к,потокам нейтрино. Электромагнитное же излучение все еше не отделилось от вещества, та» как система представляет плазму из прогонке и электронов, которая для электромагнитных волн непрозрачна.
Процессы рекомбинации приводят к появлению нейтральнбго вещества, кроме того, начиная с Т ° Гбв К (! !00 с), начинается синтез атомов гелия и ялер легких элементоь. При Т 4006 К система; состоящая в основном из водорода (70%)„гелия и других элементов, становится, наконец, нейтральной, фотоны получают возможность Распространяться свободно, Вселенная лля них стала прозрачной — зто момент Рождения реликтового электромагнитного излучения. Согласно «идеальной» модели Гамова и приведенной выше~связи темпе- -' ратуры Т и времени ! оно вдзникло спустя около ! 300 тысяч лет после «рожйения»: самой Вселенной, Вещество, образовавшееся из протонов, нейтронов, электронов ' н т.д., тоже стало жить «само по себе», но если реликтовое излучение ка» рав- ' новесная пространственно однородная термодинамическая система так и остаяась Равновесной термодинамнческой системой, то «вещественная» часть развивалась далее по своим, уже.не термодинамическим законам, потеряла прос(ранственную однородность, которая а системе гравитируюших объектов оказалась неустойчивой, и.т.д.
Кроме того, если в начальной фазе существования Вселенной Основная до- ' ля обшей ее энергии приналлеягит излучению, то с течением времени в процессе расширения Вселенной доля энергии «вещестаа» все более и более. возрастает. Наконец, возьмем «наши днн», т. е. ! ° 1О. млрд лет (или И млрд лет —. оценки возраста Вселенной особой стабильностью не отличаются), что соответствует Т 3 К. Это — температура реликтового излучения, уже проживШего зти миллиарды лет. Плотность фотонного газа составляет а нем п 500 см з = 0,5 !Ов и з (средняя пЛОтнолть вещества во Вселенной в наши дни —. 1 Р( ) менее 1 протона/и, но доля энергии излуче- 3 ния (не считая нейтринного, антинейтринного и т.
д.) составляет не более !О 4 части энергии вещества). Теперь остановимсл на том, что дая экс- . перимент. Вилсон и Пензиас зарегистрировали изотропное фоновое излучение из Вселен-, ной и, обнаружив в его спектральной плотно- 0,01 сти (рис, 38) максимум, с помощью закона Вина: 100 1О 1 0,1 0,01 Л Л „Т = 0„2897 (в этой формуле Л в сантиме;., трах, Т. в кельвинах) получили для температуры носительных вдини вх) вли товсг Реликтового излучения величину Т е 2,7 К. Это. носительных единицах) реликтового излучения кви функция длины волны' был,триумф.
Далее было обнарулгено; что крит Л= 2яс/ы (ивсштвбы логврифинчв- вая не совсем совпадает с известным законом скин). прямоугольники — рвзуяыв- Планка (т. е. система фотонов в данной ситуации ты эксперимента, кривая соотввгствувг не.так уж идеальна, как это считалссь у Гамвва): распределению Планка нри Тм2,7 К и что зто излучение не совсем изотропно: его. 9 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
