ФИЗИКА РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
За последние несколько лет между двумя: областями науки — физикой частиц высокйх энергий и космологией — отмечалось довольно тесное взаимодействие, которому в значительной степени способствовало открытие фонового микроволнового излучения, позволившее предположить, что Вселенная когда-то была весьма плотной и очень горячей и что она возникла при «большом взрыве». Одним из очень важных следствий такого взаимодействия явилась постановка проблемы — симметрична ли Вселенная относительно вещества и антивещества или несимметрична и обладает ли избытком одного или другого. Такое различие могло оказывать важное влияние на поведение Вселенной на очень ранней стадии ее развития, а в некоторых отношениях может иметь значение и в настоящее время, если допустить возможность проверки степени симметричности Вселенной. Сначала рассмотрим поведение несимметричной Вселенной, предполагая, что все видимые в пространстве галактики состоят из обычного вещества.
Рассмотрение начнем с момента, когда возраст Вселенной составлял приблизительно 10-43 сек. Характерный размер Вселенной, так называемый радиус Хэббла, выражается равенством r=сt, т. е. возрастом Вселенной, умноженным на скорость света. Это расстояние равно всего лишь 3*10-33 см для t=10-43 сек, что намного меньше характерного радиуса любой из элементарных частиц, с которыми мы имеем дело во Вселенной сегодня, так называемого комптоновского радиуса; величина его обратно пропорциональна массе частицы. Радиусы обычных нейтронов и протонов составляют величину порядка 10-13 см, поэтому можно было бы сказать, что Вселенная, возраст которой равен 10-43 сек , еще недостаточно «стара», чтобы содержать в себе обычные нейтроны и протоны.
Если и возможно существование на этой стадии во Вселенной какого-либо вещества, то оно должно представлять собой либо нейтроны и протоны в сильно возбужденном барионном состоянии, либо какую-нибудь совершенно неизвестную нам форму вещества. Во всяком случае, можно предполагать, что во Вселенной, имеющей возраст 10-43 сек, частицы должны иметь массу порядка 10-5 г, чтобы они могли уместиться в пределах радиуса Хэббла. Такие частицы — чисто гипотетические, выходящие далеко за пределы существующей теории частиц и ее экстраполяций.
Состояние Вселенной в это время лучше всего описывается как хаотическое. Хэббловский радиус имеет величину, сравнимую с ожидаемыми квантовыми флуктуациями в строении Вселенной, если в какой-то степени объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Если умножить возраст Вселенной на энергосодержание (включая массу покоя) объема, заключенного в пределах радиуса Хэббла, то в результате можно получить число порядка постоянной Планка h. Это космологическое выражение принципа неопределенности Гейзенберга. Задаваться вопросом, что происходило во Вселенной в период более ранний, чем 10-43сек, не имеет никакого физического смысла, так как отрезки времени такой величины тоже не имеют смысла вследствие энергетической неопределенности.
По мере развития Вселенной радиус Хэббла возрастает и число содержащихся в нем видов частиц растет. Эти частицы могут взаимодействовать друг с другом и достигать состояния термодинамического равновесия, а массы частиц, которые могут существовать во Вселенной, по мере увеличения радиуса Хэббла прогрессивно уменьшаются.
Характер физических явлений, происходящих во Вселенной в эту эпоху ее расширения, продолжает оставаться неопределенным, так как неизвестна форма спектра возбуждения массы бариона. Хагедорн предположил, что число состояний бариона, приходящихся на единицу интервала масс, возрастает экспоненциально, на основе чего можно ожидать, что Вселенная будет иметь конечную максимальную температуру, которая может быть достигнута на ранней стадии ее развития, порядка 1012 °К. Эта предельная температура достигается асимптотически по мере того, как масса покоя имеющихся барионов растет до бесконечности. В варианте ранней космологии Хагедорна при расширении ранней Вселенной, обладавшей этой предельной температурой, характерные массы присутствующих в ней частиц должны прогрессивно уменьшаться. Согласно этой картине могут происходить значительные изменения соотношения барионов и антибарионов. И только после того, как Вселенная достаточно расширилась, так, что большинство частиц, как ожидается, стали бы нейтронами и протонами, температура ее понизилась бы заметно ниже 1012 °К.
Однако если число состояний бариона, имеющих разную массу, возрастает с увеличением массы несколько медленнее, чем по экспоненте, то не существует верхнего предела температуры вещества и она может стать неограниченно высокой. В таком случае Вселенная на самой ранней стадии должна была в изобилии содержать как вещество, так и антивещество с небольшим преобладанием вещества над антивеществом по крайней мере в том районе Вселенной, в котором произошло образование нашей Галактики. По такой
космологической гипотезе вещество и антивещество постепенно аннигилировали до тех пор, пока после снижения температуры ниже 1012 °К не остались лишь избыточные барионы (превышавшие по количеству антибарионы), в результате эта локальная область Вселенной стала содержать вещество только в виде барионов (см., однако, соображения ниже).
При температурах Вселенной от 1011 до 1012 °К барионные пары не могут существовать вместе, однако пи и m-мезоны могут существовать в изобилии. По мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной исчезают я-мезоны, а затем я m-мезоны. В результате содержание оставшейся материи характеризуется наличием некоторого количества нейтронов и протонов, электрон-позитронных пар с небольшим преобладанием электронов, мюонного нейтрино и антинейтрино, электронного нейтрино и антинейтрино, а также фотонов. После исчезновения m-мезонов m-мезонное нейтрино и антинейтрино больше не взаимодействуют с оставшимися частицами. При снижении температуры ниже 5*109 °К электронные нейтрино и антинейтрино больше не взаимодействуют с обычным веществом и электрон-позитронные пары вскоре после этого исчезают вследствие аннигиляции . Электронные нейтрино отсоединились (перестали взаимодействовать) от остальной материи раньше, чем наступили температуры, соответствующие уровню диссипации электрон-позитронных пар. Как электронные, так и мюонные нейтрино и антинейтрино вносят свой вклад в плотность энергии и давление, что способствует расширению Вселенной, однако влияние этих частиц на физические события во Вселенной ограничивается лишь таким косвенным воздействием.
В то время когда в расширяющейся Вселенной присутствовали электрон-позитронные пары, они взаимодействовали с присутствующими нейтронами и протонами, вследствие чего происходило их взаимное превращение друг в друга. В результате между протонами и нейтронами установилось равновесие, при котором протонов оказалось несколько больше, чем нейтронов, так как их масса несколько меньше, чем масса нейтронов. Предполагается, что ко времени, когда электрон-позитронные пары исчезли вследствие аннигиляции, число протонов примерно в семь раз превышало число нейтронов.
Когда температура снизилась до 109 °К, стало возможным существование сложных ядер. Первое ядро возникло в результате соединения нейтрона с протоном, что привело к созданию дейтерия. Нейтрон и протон могут образовать ядро дейтерия с излучением фотона, но в то же время поглощение фотонов радиационного поля образовавшимися ядрами дейтерия снова приводит к их фоторасщеплению на нейтроны и протоны. Первоначально доминирует процесс фоторасщепления и может существовать лишь очень немного дейтерия. Но по мере снижения температуры равновесное состояние смещается в сторону увеличения количества дейтерия, присутствующего в среде.
В свою очередь, дейтерий может захватывать нейтроны, в результате чего образуется тритий. Ядро этого элемента радиоактивно и имеет период полураспада 12 лет, что во много раз превышает рассматриваемое нами время расширения Вселенной, возраст которой составляет на этой стадии всего несколько минут. В результате происходящих между дейтерием и тритием термоядерных реакций образуется гелий. При плотностях вещества, ожидаемых на этой стадии расширения Вселенной, указанные реакции проходят почти полностью до конца, в результате чего почти все нейтроны смеси преобразуются в гелий. Так как в веществе присутствует больше протонов, чем нейтронов, избыточные протоны так и остаются до окончания ядерных реакций. При этих условиях около четверти всего вещества становится гелием. К моменту, когда расширяющаяся Вселенная достигает возраста получаса, в ней остается очень мало дейтерия и трития.
Интересно, что количество образовавшегося таким образом гелия сравнимо с количеством гелия, присутствующего в настоящее время во всех звездах, как очень старых, так и совсем молодых. Количество гелия, образующегося в результате космологического синтеза ядер, колеблется от примерно 28% для замкнутой Вселенной до примерно 24% для открытой Вселенной. Различные теоретические исследования и данные наблюдений свидетельствуют о том, что такая распространенность гелия характерна для звезд почти повсеместно во Вселенной, однако, правда, пока еще не известно, достаточно ли одинакова по величине распространенность гелия на этих звездах, чтобы можно было причиной этого считать один и тот же процесс космологического синтеза ядер.
Количество дейтерия и Не3, образующихся в модели замкнутой Вселенной, пренебрежимо мало, однако вполне возможно, что в от крытой Вселенной количество образующегося дейтерия и Не3 сравнимо с предполагаемым их количеством в первичной солнечной туманности, из которой могла возникнуть солнечная система. Если не будет выдвинута какая-нибудь иная версия образования дейтерия и Не3, то высказанная нами гипотеза может явиться очень убедительным доказательством в пользу упомянутой несимметричной модели Вселенной и в пользу открытой модели нашей Вселенной. Однако до тех пор, пока все иные предположения об образовании дейтерия и Не3 не будут отвергнуты как несостоятельные, эту гипотезу нельзя считать справедливой.
Расширение Вселенной продолжалось. При этом в ее состав входили водород, гелий, электроны, фотоны, а также различные виды нейтрино: и антинейтрино, не взаимодействующие, однако, с другими частицами. Фотоны продолжают интенсивно взаимодействовать с веществом, и, поскольку давление связано в основном с фотонами, вещество на данной стадии расширения Вселенной не способно разделяться на самогравитирующие тела, такие, как галактики или скопления галактик.
Когда возраст расширяющейся Вселенной достигает приблизительно миллиона лет, температура вещества и излучения падает примерно до 3000° К. К этому времени уже завершится рекомбинация гелия в нейтральную форму, и при такой температуре вследствие рекомбинации происходит образование нейтральных атомов водорода. В результате картина взаимодействия между веществом и излучением коренным образом меняется. До тех пор, пока водород был ионизованным, фотоны излучения могли проходить лишь относительно небольшие расстояния, прежде чем претерпеть комптоновское рассеяние на свободных электронах. Однако после рекомбинации возможно лишь релеевское рассеяние на нейтральных атомах водорода, и средняя длина свободного пробега фотонов начинает превышать хэббловский радиус Вселенной. Следовательно, после рекомбинации водорода фотоны могут неограниченно расширяться в пространстве, и именно они в данном типе космологической модели создают изотропный микроволновый фон с температурой 2,7° К. И только после такого отделения от излучения появляется возможность развития гравитационных неустойчивостей в веществе.
Теперь рассмотрим, что необходимо для симметричной Вселенной, в которой имеется одинаковое количество вещества и антивеще
ства среди видимых галактик Вселенной. Предположительно всегда можно считать, что отсутствие баланса между веществом и антивеществом является следствием флуктуаций соотношения барионов и антибарионов в различных областях ранней расширяющейся Вселенной. Такое предположение носит временный характер, не дающий, естественно, объяснения явлениям. В последние годы Омнес предпринял попытку, исходя из тесных микроскопических смесей барионов и антибарионов, найти процессы, способные привести к разделению вещества и антивещества в масштабе по крайней мере галактики. Последующие теоретические разработки принадлежат главным образом Омнесу.
Упоминания в первую очередь заслуживают некоторые новые сообщения Паркера, сделанные на семинаре по физике ранней Вселенной в Аспене в июне 1972 г. Вернемся снова к хаотической Вселенной, когда ее возраст составлял 10-43 сек. При этом под хаосом следует понимать то, что различные области Вселенной, охватываемые хэббловским радиусом 3 • 10-33 см, вносят флуктуирующие гравитационные потенциалы, содержащие огромное количество энергии. Паркер изучил последствия быстрого неизотропного расширения Вселенной при указанных условиях и обнаружил, что при этом может происходить образование барионов — антибарионов, при котором сильные хаотические градиенты в гравитационном потенциале преобразуются главным образом в массу покоя и кинетическую энергию барион-антибарионных пар. Кроме того, образование пар происходит на расстояниях, несколько превышающих величину хэббловского радиуса, что дает возможность ввести механизм, способный обеспечить крупномасштабную однородность расширения Вселенной. Этот очень импонирующий механизм предсказывает создание равного количества барионов и антибарионов в любом микроскопическом объеме.
Я. Б. Зельдович и А. А. Старобинский объяснили важность образования пар в анизотропно расширяющейся Вселенной. Влияние образованных пар состоит в придании расширению изотропного характера, что является шагом вперед в объяснении закона расширения Фридмана.
Основная гипотеза Омнеса состоит в том, что при температурах, превышающих 3•1012 ОК, происходит фазовое разделение барионов и антибарионов. Существование этих фаз представляется очень спорным, и мы здесь не будем касаться деталей этого во проса. Достаточно лишь сказать, что, согласно гипотезе Омнеса, в статистическом смысле барионы и антибарионы не могут очень сильно сближаться друг с другом и сохраняют свою индивидуальность, в то время как барионы к барионам и антибарионы к антибарионам могут приближаться бесконечно близко. Это приводит к ожидаемому обособлению барионов и антибарионов в две конденсированные фазы, причем ко времени, когда температура Вселенной снизилась примерно до 3 • 1012 °К, размер отдельных капель барионов и антибарионов достиг величины порядка 3 • 10-4 см, причем каждое сгущение содержит около 10 кг вещества.
После падения температуры ниже 3 • 1012 °К термодинамические условия, способствовавшие до этого разделению барионной и антибарионной фаз, больше не являются низшим состоянием термодинамической энергии. Омнес предполагает, что на этой стадии в обособленных сгущениях начинается взаимная диффузия барионов и антибарионов, ведущая к аннигиляции. Процесс взаимного уничтожения длился до тех пор, пока температура Вселенной не упала примерно до 3*108 °К. К этому времени большая часть первоначального вещества и антивещества исчезла вследствие взаимного уничтожения, отдав энергию в фотонное поле, в результате чего количество барионов или антибарионов сократилось примерно до 10-8 на один фотон.
На этой стадии развития Вселенной все еще существуют две обособленные фазы вещества и антивещества. По границе между этими двумя областями продолжает происходить аннигиляция барионов и антибарионов. Но по мере дальнейшего снижения температуры во Вселенной в ней начинается новый процесс, который Омнес называет стадией соединения. Вследствие аннигиляции возникают относительные движения отдельных образований вещества и антивещества, причем скопления вещества отталкиваются от скоплений антивещества, что обусловлено процессом аннигиляции по общей границе. Однако при встрече отдельных фрагментов вещества (или фрагментов антивещества) друг с другом они сливаются.
Следует отметить, что в этих условиях, когда температура Вселенной составляла около 109 °К, гелий или другие легкие элементы образовываться не могут. Тогда окружающее пространство уже не представляет собой плазму из электрон-позитронных пар, и, следовательно, при указанной температуре взаимопревращения нейтронов в протоны не проис
ходит. Так как нейтроны, оставшиеся после исчезновения электрон-позитронных пар, обладают способностью более быстрой диффузии, чем протоны, уничтожение нейтронов, а также антинейтронов на стадии аннигиляции происходит несколько эффективнее. Таким образом, в симметричной Вселенной этого типа образование больших количеств первичного гелия (или антигелия) не происходит, а в рассматриваемой космологической модели требуются какие-то иные процессы, которые могли бы послужить причиной образования больших количеств гелия на догалактической стадии развития Вселенной.
По мере расширения Вселенной количество материала в отдельных сгущениях вещества и антивещества на стадии соединения продолжало быстро расти. Частично это происходило потому, что во Вселенной на данной стадии развития стали возможными движения вещества и излучения с довольно большой скоростью в связи с тем, что скорость звука не намного меньше скорости света. Однако при снижении характерной температуры излучения до 3000° К, при которой происходит рекомбинация водорода в нейтральную форму, скорость звука в несвязанном веществе резко падает и скорость движения такого вещества во Вселенной сильно замедляется. Все это привело к окончанию стадии соединения, а практически и к прекращению взаимного уничтожения вещества и антивещества на границе между отдельными фазами. По подсчетам Омнеса, на этой стадии эволюции Вселенной отдельные скопления содержат в себе вещество, по количеству соответствующее по крайней мере типичной галактике. Вопрос о том, что сгущения должны содержать вещество в количестве, достаточном для образования скопления галактик, не снимается с обсуждения. Космологическая теория Омнеса, рассматриваемая в следующем разделе, была бы более последовательной, если допустить, что к этому времени сгущения вещества выросли до размера скоплений галактик.
В заключение следует отметить, что модели как симметричной, так и несимметричной Вселенной ведут к получению очень сходных результатов, причем космологическая модель симметричной Вселенной предполагает, что все скопления галактик состоят либо из вещества, либо из антивещества, а космологическая модель несимметричной Вселенной предполагает, что все видимые галактики состоят из вещества. Имеющиеся в нашем распоряжении средства не позволяют прямым наблюдением подтвердить достоверность той или иной гипотезы. Тем не менее сторонники космологической модели симметричной Вселенной отрицают возможность образования больших количеств гелия в результате космологического синтеза ядер, а сторонники несимметричной модели синтеза ядер не только предсказывают образование в результате космологического ядерного синтеза гелия в больших количествах, но, возможно, и дейтерия, и Не3, если допустить, что мы живем в открытой Вселенной.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com