UNIVERSE 1.1

Р.Ровинский

Развивающаяся Вселенная


Universe 2.32 Universe 2.5 Contents Home Page

 

2.4 Самоорганизуемость микромира в ранней Вселенной

Одним из впечатляющих результатов разработки модели Развивающейся Вселенной стало понимание глубочайшей взаимосвязи Микромира и Мегамира (Вселенной).
Оказалось, что свойства элементарных частиц вещества, их способность взаимодействовать друг с другом, их связь с меняющим свои свойства физическим вакуумом – все это в совокупности предопределяет этапы развития и формы существования расширяющейся Вселенной.
Если бы в микромире что-нибудь было иным, чем оно есть, то и Вселенная оказалась бы совсем иной.
Возможность выдвигать обоснованные, а не фантастические предположения о начальном периоде развития Вселенной, появилась не в последнюю очередь благодаря крупным успехам физики высоких энергий.
"Мы уже подошли к тому рубежу, - пишет лауреат Нобелевской премии и один из создателей как теории электрослабых взаимодействий, так и теории Большого взрыва Стив Вейнберг, - когда для нас становится посильным обсуждение природы материи и истории Вселенной вплоть до температур порядка планковской, однако мы еще не достигли такого уровня понимания, чтобы полностью доверять всем деталям полученных нами результатов" [20].
Наиболее продвинутой гипотезой о первых мгновениях Вселенной, указывающей на возможные источники неустойчивости исходного состояния материи, разрешившейся Большим Взрывом, стал затронутый нами в 2.2 сценарий раздувающейся (инфляционной) Вселенной. Согласно сценарию, этап раздувания продолжался ничтожное мгновение, всего 10–33 секунды, и он завершился фазовым переходом "ложного" вакуума в более упорядоченную модификацию. В результате выделилась огромная энергия, породившая исходное вещество в виде плазмоподобного сгустка частиц и античастиц с огромной плотностью порядка 1080 г/см3 при температуре, предположительно, превысившей 1027 К. В этой модели кинетическая энергия частиц в сгустке изначально равнялась энергии их гравитационного взаимодействия.

Доступная астрономическим наблюдениям современная Вселенная на 98% состоит из водорода и гелия. Но в только что родившейся Вселенной не было ни водорода, ни гелия. Каков же был исходный состав сгустка и как он трансформировался в водородно-гелиевую Вселенную? Существующая теория утверждает, что от появления протовещества и до образования ядер водорода и гелия прошло немногим больше трех минут. На этом временном промежутке стремительно преобразовывались вакуум и вещество, а этапы преобразований определялись процессами расширения и остывания сгустка. Толчком для очередного скачкообразного перехода в качественно новое состояние служило достижение системой определенных критических значений температуры и плотности расширяющегося вещества.

Изменение температуры Т и плотности r на начальной стадии расширения описывается простыми зависимостями этих величин от времени, прошедшего с начала расширения [21]:

Т[МэВ] ~ t –1/2 [c];     r[г/см3] ~ 4,5 * 10 –3 * t –2[c],

где t – время, отсчитываемое от "начала".

В [20] три минуты, за которые образовалась вещественная основа нашего мира, подразделены на четыре этапа (или эры). Предполагаемая фаза раздувания Вселенной, рассматриваемая как первый шаг ее рождения, завершилась выделением огромной порции энергии, сразу же оформившейся в сгусток вещества (и антивещества) при температуре, превышавшей 1027 К. Допуская справедливость гипотезы Большого Объединения,теория предсказывает, что при такой температуре лептоны и кварки свободно переходили друг в друга, то есть, были неразличимы. Переходы такого рода осуществлялись в результате взаимодействия исходных частиц в среде, где кроме гравитации существовала единая фундаментальная сила, объединявшая сильное и электрослабое взаимодействия. Переносчиками такого взаимодействия служила экзотическая пара, состоящая из Х - бозона и X* - антибозона. Теория предсказывает, что Х – бозон был необычайно массивной частицей, его масса достигала значения порядка 10–9 г, что в 1014 раза больше массы протона. Подобно тому, как гиганты древнего животного мира Земли – динозавры, мастодонты и другие, поражающие наше воображение своими размерами и весом, вымерли десятки миллионов лет назад, оставив после себя в земле лишь громадные кости, так и гиганты микромира Х частицы и X* античастицы "вымерли" из-за снижения температуры в ранней Вселенной. Но пока исследователям не удалось отыскать их "костей", доказательного подтверждения их существования в природе. И это не удивительно. Скалярные бозоны этого типа существуют только при температурах, не ниже 1027 К. В наблюдаемой Вселенной сегодняшнего дня нет уголка, где подобные температуры могли бы реализовываться. Невозможно получить их и на самых мощных современных ускорителях, да и в будущем нет надежды получить их в лабораторных условиях. В качестве "костей" этих микрогигантов остается вывод теории о существовании в ранней Вселенной переходов между лептонами и кварками. Из такого допущения следует, что и в наше время существует очень маленькая вероятность редких превращений какого-нибудь кварка в лептон. Тогда протон, в состав которого входит преобразившийся кварк, распадется. По оценкам С.Вейнберга время жизни протона порядка 1032 лет, по другим оценкам оно несколько меньше и лежит в пределах от 1030 до 1031 лет. Если верны более низкие оценки, то современная техника эксперимента позволяет на пределе своих возможностей обнаружить распад протона уже теперь. В противном случае придется ждать лучших времен. С открытием распада протона, если это событие произойдет, выяснится, что Природа выдает нам главную форму атомарного вещества не навсегда, а в кредит, правда на очень длительный срок.

На рубеже перехода к температурам ниже 1027 К, через ~10–34 секунд после "начала", прекращают свое существование скалярные Х бозоны. Здесь совершается переход вакуума в еще одну свою модификацию с более высоким уровнем упорядоченности, и гигантские бозонные и антибозонные частицы распадаются на глюоны и безмассовый бозон электрослабого взаимодействия. Тем самым сильное (цветовое) взаимодействие обретает самостоятельность. Предполагают, что распад Х - бозонов и X* - антибозонов повлек за собой крайне важное следствие, определившее всю последующую историю Вселенной. Есть основание считать, что переходы частиц и античастиц, в частности, кварков и антикварков в лептоны и антилептоны, совершается с несколько отличающимися скоростями. Поэтому к моменту распада бозонов-гигантов число кварков в сгустке несколько превышало число антикварков, но зато среди лептонов число электронов на такое же количество превышало число позитронов. Распад скалярных бозонов зафиксировал это различие. Разница, казалось бы, мизерная, число вещественных частиц в каждом миллиарде на одну превышало число античастиц, но именно эта разница определила появление в дальнейшем вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

Итак, в критической точке через ~10–34 секунды после "начала" кварки и лептоны разделились, а сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. Возник качественно новый этап развития, который Вейнберг назвал эрой рождения барионов. Появление сильного взаимодействия предопределило последующее объединение кварков и антикварков в адроны. Но на этом этапе высокая температура еще позволяла сохраниться этим частицам в свободном состоянии.

Следующий критический момент наступил на рубеже времени 10–10 секунды, когда температура снизилась до 1015 К. Здесь проявилась очередная неустойчивость вакуума, завершившаяся новым фазовым переходом в еще более упорядоченное его состояние. Новая модификация вакуума взаимодействовала с веществом таким образом, что безмассовый электрослабый бозон разделился на безмассовый фотон и на три векторных бозона, получивших от вакуума солидные массы. Электрослабое взаимодействие распалось на слабое и электромагнитное. Во Вселенной утвердились все четыре известные науке фундаментальные взаимодействия. Этот этап назван Вейнбергом эрой промежуточных бозонов.

Теория предсказывает, что при температурах несколько меньших, чем 1015 К, в плазменном сгустке, состоящем из фотонов, лептонов, антилептонов, кварков, антикварков, глюонов и векторных бозонов достигается состояние, близкое к термодинамическому равновесию. При дальнейшем снижении температуры возникает ситуация, когда кварки и антикварки подпадают под действие сил, стремящихся объединить их в адроны. Зону свободного существования этих частиц отделяет от зоны, в которой они перестают существовать как свободные частицы, температурный рубеж в 1013 К. Этот этап назван эрой адронов.

Самый ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Она начинается после того, как снизившаяся температура открывает возможность для протекания быстрого процесса необратимых соединений барионов с антибарионами, заканчивающегося их аннигиляцией. Эти частицы исчезают, оставив после себя соответствующее количество фотонов и выделившуюся вследствие аннигиляции энергию, замедлившую остывание сгустка. А так как барионов было немного больше, чем антибарионов, те из них, которые не нашли своего антипода остались в качестве небольшой примеси в однородной смеси фотонов и лептонов. Согласно расчетам, на ~10 миллиардов фотонов и лептонов приходилось по одной барионной частице. Такого состояния Вселенная достигла к моменту времени, примерно равному 0,01 секунде после "начала". С этого момента вступает в действие подробно разработанная теория дальнейшего развития Вселенной, получившая название Стандартной модели (или сценария) Большого Взрыва. Стандартная модель отделяет область предположительных знаний о самом раннем периоде развития Вселенной от надежно разработанного и подтверждаемого наблюдательными данными расчета последующего ее развития вплоть до этапа первичного нуклеосинтеза.

Итак, к моменту времени 0,01 секунды Вселенная предстает в виде однородной "газовой смеси", состояние которой очень близко к термодинамическому равновесию. Равновесность достигнута благодаря тому, что скорости взаимодействия частиц в смеси существенно более высокие, чем скорость изменения условий (температура, плотность) в расширяющейся Вселенной. А при равновесном состоянии состав, концентрация компонентов и другие параметры "газовой смеси" суть функции только температуры и плотности вещества. Но в ранней Вселенной оба эти параметра однозначно зависят только от времени, отсчитываемого от "начала", и не зависят от предыстории, то есть от более ранних состояний. Таким образом, предшествовавшие Стандартной модели периоды развития Вселенной выносятся за ее рамки и требуют независимого рассмотрения. Наступившая на рубеже времени 0,01 секунды квазиравновесность стерла следы более раннего развития, не оставив в последующей истории Вселенной видимых доказательств его существования.

"Это подарок судьбы космологам, - пишет С.Вейнберг [22], - поскольку они могут вычислять интересующие их величины, скажем, содержание гелия, не слишком беспокоясь о том, что происходило на очень ранних стадиях развития Вселенной. Зато это плохо для нас, физиков, изучающих элементарные частицы, поскольку нам не приходится ожидать от космологических наблюдений значительной информации, которая могла бы дополнить эксперименты, осуществляемые в земных условиях".
Основные события Стандартного сценария. К первой секунде температура снизилась до 10 миллиардов градусов (1010 К) и произошло отделение от "газовой смеси" нейтрино и антинейтрино, практически прекративших всякие взаимоотношения с оставшимися компонентами.

К 14-й секунде температура упала до трех миллиардов градусов. Появились условия для аннигиляции электронов и позитронов. В результате выделилась еще одна порция фотонов и значительная энергия, подогревшая фотонно-барионный газ, но не нейтрино, оставшиеся при более низкой температуре, чем остальные частицы Вселенной. Небольшой избыток электронов над позитронами, возникший на самом раннем этапе развития, сохранился, и отрицательный суммарный электрический заряд электронов точно компенсировал положительный суммарный заряд примесных протонов.

Будущий состав барионной Вселенной определился не без участия процесса Collider RHIC превращения свободных нейтронов в протоны, протекавшего на протяжении почти всей лептонно-фотонной эры. К моменту ее завершения отношение числа протонов к числу нейтронов стало равным 8:1., оно сохранилось и определило в дальнейшем соотношение водорода и гелия во Вселенной.

Спустя три минуты и две секунды после "начала" температура снизилась до миллиарда градусов. На этом завершилось формирование самой ранней Вселенной, и начался процесс соединения протонов и нейтронов в составные ядра, его называют нуклеосинтезом. На протяжении всей самой ранней стадии развития шли процессы усложнения вещества, упорядочения вакуума и продвижения Вселенной от начального однообразия к все большему разнообразию.

Universe 2.32 Universe 2.5 Contents Home Page


Ваши отзывы, мнения и предложения могут быть отправлены автору по адресу:
remrovinsky@yahoo.com