Большой Взрыв и эволюция Вселенной
дается при расширении, падает и его плотность.
Но есть и существенные отличия. Главное из них заключается в том, что
химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и
давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу,
которая сообщает ускорение частицам заряда взрывчатого вещества.
В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В
отличие от химического астрономический взрыв не начался из определенного
центра (и потом стал распространяться на все большие области пространства),
а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить
себе это очень трудно, тем более, что «все пространство» могло быть в
начале взрыва конечным (в случае замкнутого мира) и бесконечным (в случае
открытого мира)…
Пока мало что известно, что происходило в первую секунду после начала
расширения, и еще меньше о том, что было до начала расширения. Но, к
счастью, это незнание не явилось помехой для очень детальной разработки
теории «горячей Вселенной» и сценарий, к рассмотрению которого мы сейчас
переходим, основан не на умозрительных рассуждениях, а на строгих расчетах.
Итак, в результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет назад начал
действовать уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно
и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции)
разнообразных частиц. Как мы увидим в следующих главах, эти процессы во
многом определили всю последующую эволюцию Вселенной, нынешний облик нашей
Вселенной и создал необходимые предпосылки для возникновения и развития
жизни.
Большой Взрыв: продолжение
Итак, мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется; тот момент с
которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом; тогда
началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют
“Большим Взрывом” или английским термином Big Bang.
Что же такое – расширение Вселенной на более низком, конкретном уровне
?
Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же
самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно
возрастающий объём.
Итак, кратко изложим все те умозаключения о возможных параметрах
Вселенной на стадии Большого Взрыва, к которым мы пришли.
Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно
понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была
больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности
(примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень
большой.
Кроме того высокой должна была быть и температура[8], настолько
высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря
энергия всех фотонов содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей
энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые
мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой
смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при
столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но
возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и
античастицы.
Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во
времени в соответствии с простым соотношением :
[pic]
Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить,
что например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной
десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион
Кельвинов.
Эволюция вещества
Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со
временем понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что
понижалась средняя кинетическая энергия частиц kT . Согласно соотношению
h?’kT понижалась и энергия фотонов. Это возможно лишь в том случае, если
уменьшится их частота ?. Понижение энергии фотонов во времени имело для
возникновения частиц и античастиц путем материализации важные последствия.
Для того чтобы фотон превратился (материализовался) в частицу и античастицу
с массой mo и энергией покоя moc2, ему необходимо обладать энергией 2 moc2
или большей. Эта зависимость выражается так :
[pic]
Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже
произведения энергии частицы и античастицы (2moc2), фотоны уже не способны
были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mo. Так,
например, фотон, обладающий энергией меньшей, чем 2*938 Мэв, не способен
материализоваться в протон и антипротон, потому что энергия покоя протона
равна 938 мэв.
В предыдущем соотношении можно заменить энергию фотонов h? кинетической
энергией частиц kT ,
[pic]
то есть
[pic]
Знак неравенства означает следующее: частицы и соответствующие им
античастицы возникали при материализации в раскаленном веществе до тех пор,
пока температура вещества T не упала ниже указанного значения.
На начальном этапе расширения Вселенной из фотонов рождались частицы и
античастицы[9]. Этот процесс постоянно ослабевал, что привело к вымиранию
частиц и античастиц. Поскольку аннигиляция[10] может происходить при любой
температуре, постоянно осуществляется процесс
частица + античастица ? 2 гамма-фотона
при условии соприкосновения вещества с антивеществом. Процесс
материализации
гамма-фотон ? частица + античастица
мог протекать лишь при достаточно высокой температуре. Согласно тому, как
материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества
приостановилась,
эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную,
фотонную и звездную.
а) Адронная эра.
Длилась примерно от[11] t=10-6 до t=10-4. Плотность порядка 1017
кг/м3 при T=1012…1013.
При очень высоких температурах и плотности в самом начале
существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество
на самом раннем этапе состояло прежде всего из адронов, и поэтому ранняя
эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время
существовали и лептоны.
Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной,
температура T упала на 10 биллионов Кельвинов(1013K). Средняя кинетическая
энергия частиц kT и фотонов h? составляла около миллиарда эв (103 Мэв), что
соответствует энергии покоя барионов.
В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила
материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но
по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как
при температуре ниже 1013 K фотоны не обладали уже достаточной энергией для
ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался
до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества.
Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе
самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны
и нейтроны). Так во вселенной исчезла самая большая группа барионов -
гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не
распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад
гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4 секунды.
К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды
(10-4 с.), температура ее понизилась до 1012 K, а энергия частиц и фотонов
представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких
адронов - пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не
могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной
достиг 10-4 с., в ней исчезли все мезоны.
На этом и кончается адронная эра, потому что пионы являются не только
самыми легкими мезонами, но и легчайшими адронами. Никогда после этого
сильное взаимодействие (ядерная сила) не проявлялась во Вселенной в такой
мере, как в адронную эру, длившуюся всего лишь одну десятитысячную долю
секунды.
б) Лептонная эра.
Длилась примерно от[12] t=10-4 до t=101. К концу эры плотность
порядка 107 кг/м3 при T=109.
Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1
Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой,
чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и
нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по
сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.
Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в
мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при
температуре 1010 K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и
материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа
начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино,
которые мы называем “реликтовыми”.
Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых
электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.
в) Фотонная эра или эра излучения.
Длилась примерно от[13] t=10-6 до t=10-4. Плотность порядка 1017
кг/м3 при T=1012…1013.
На смену лептонной
| |  скачать работу |
Большой Взрыв и эволюция Вселенной |
