Элементарные частицы и структура Вселенной

Достижения теория синтеза химических элементов в  звездах имели большое значение в исследовании Вселенной. К началу 30-х годов знали, что большинство звезд состоят из водорода и гелия, но было неясно, откуда берется углерод. В 50-е годы Хойл предложил реакцию образования углерода из трех ядер гелия в специфических условиях центра звезды. Возможность такой реакции подтвердил американский физик У. Фаулер на ускорителе высоких энергий, а Хойл и Солпитер подвели под эти эксперименты теорию. К 1957 году Фаулер, Хойл, Маргарет и Джеффри Бербидж разработали теорию синтеза большинства химических элементов в звездных недрах из водорода и гелия. В звездной топке легкие элементы «сплавились» в тяжелые ядра, которые рассеялись в пространстве из-за взрыва Сверхновых или смерти красных гигантов. Затем цикл повторится, образуя звезды нового поколения. Однако данная теория не могла объяснить существование трех легких элементов — лития, бериллия и бора. Из-за своей неустойчивой природы эти элементы должны образовываться в газе с низкой плотностью и низкими температурами и, первоначально присутствуя в молодых звездах, должны были распадаться при сжатии и нагревании звезды. Это оставалось загадкой. Хотя содержание каждого из них составляет менее 10^-9 от количества водорода, уникальное происхождение этих элементов делает их «комментаторами» истории Вселенной. Подобные варианты схем рождения элементов создавались в нескольких местах, но не были привязаны к существующим во Вселенной количественным соотношениям элементов. [8]

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой  плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10²⁷ К, которые свободно превращались друг в друга. В этом сгустке существовали только гравитационное и сильное взаимодействия. Потом Вселенная стала расширяться, одновременно ее плотность и температура уменьшались. Дальнейшая эволюция Вселенной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой — усложнением ее структур. Этапы эволюции Вселенной различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами. Самые важные изменения заняли менее трех минут.

Эра адронов.

Через 10^-23 секунд Вселенная вступила в эпоху адронов, или тяжелых частиц, продолжительность которой составила 10^-7  секунд. Поскольку адроны участвуют в сильных взаимодействиях, эту эпоху можно назвать эпохой сильных взаимодействий. Температура была равна 10³² К  и достаточно высока для того, чтобы образовывались пары адронов: мезоны, протоны, нейтроны и т. п., а также их античастицы. Однако на заре этой эпохи температура была слишком высока, и тяжелые частицы не могли существовать в обычном виде; они присутствовали в виде своих составляющих — кварков. На данном этапе Вселенная почти полностью состояла из кварков и антикварков. Сейчас свободные кварки не наблюдаются. Однако некоторые ученые считают, что где-то еще должны остаться кварки, дошедшие до нас из тех далеких времен. В то время Вселенная состояла в основном из мезонов, нейтронов, протонов, их античастиц и фотонов; кроме того, могли присутствовать более тяжелые частицы. При этом на каждую частицу приходилась античастица, они при соударении аннигилировали, превращаясь в один или несколько фотонов. Фотоны же, в свою очередь, могли образовывать пары частиц, в результате чего Вселенная, пока пары рождались и аннигилировали примерно с одинаковой скоростью, пребывала в равновесном состоянии. Однако по мере расширения температура падала, и рождалось все меньше и меньше пар тяжелых частиц. Постепенно число аннигиляции превысило число рождений, и в результате почти все тяжелые частицы исчезли.

Наконец температура упала  настолько, что пары тяжелых частиц уже не могли рождаться. Энергии  хватало лишь для образования легких частиц, лептонов. Вселенная вступила в эпоху, когда в ней содержались в основном лептоны и их античастицы.

 Эра лептонов.

Примерно через сотую  долю секунды после Большого взрыва, когда температура упала до 100 миллиардов градусов, Вселенная вступила в эпоху лептонов, длительность которой составила 1секунду. Теперь она походила на густой суп из излучения, и лептонов, в основном электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино. Тогда также наблюдалось тепловое равновесие, при котором электрон-позитронные пары рождались и аннигилировали примерно с одинаковой скоростью. Но кроме того, во Вселенной находились оставшиеся от эпохи адронов в небольших количествах протоны и нейтроны — примерно по одному на миллиард фотонов. Однако в свободном состоянии нейтроны через 13 минут распадаются на протоны и электроны, т. е. происходил еще один важный процесс — распад нейтронов. Правда, температура в начале этой эпохи была еще достаточно высока для рождения нейтронов при соударении электронов с протонами, поэтому равновесие сохранялось. А вот когда температура упала до 30 миллиардов градусов, электронам уже не хватало энергии для образования нейтронов, поэтому они распадались в больших количествах.

Еще одно важное событие  эры лептонов — разделение и освобождение нейтрино. Нейтрино и антинейтрино образуются в реакциях с участием протонов и нейтронов. Когда температура была достаточно высока, все эти частицы были связаны между собой, а при понижении температуры ниже определенного критического значения произошло их разделение, и все частицы свободно разлетелись в пространство.

Фотонная эра приходит позже и продолжается 1 млн лет. Основная доля массы — энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 минут эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры начались взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными, и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов составило 15 %.

Температура в течение  этой эры падает с 10 ¹⁰ К до 3000 К. Нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений — шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3000 К, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. К концу эры Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовалось реликтовое излучение.

В итоге сформировалась однородная Вселенная, представлявшая собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций: барионного вещества (водород, гелий и их изотопы), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотоны). К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» — что-то вроде тепловой смерти. Но этого не случилось; напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную, который, по современным оценкам, занял от 1 до 3 миллиардов лет.

В звездную эру, наступившую  спустя 1 млн лет, при температуре 3000 К и плотности 10^-18 кг/м³, начинается сложный процесс образования звезд и галактик.

Грандиозная картина процессов, схематично описанная здесь, разрабатывалась детально, особенную проработку получили самые первые доли секунды. Возможности исследования деталей процессов резко возросли с появлением быстродействующих ЭВМ с большими объемами памяти. Безусловно, эта картина повлияла на наше мироощущение и продолжает уточняться. Модель «горячего» начала объясняла происхождение химических элементов, их количественные соотношения сейчас, но образование крупномасштабных скучиваний в пространстве или существование квазаров она не объясняла.

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке 1 мы можем увидеть  схемы, поясняющие модель Большого взрыва.

 

 

 

 

Рисунок 1. Схемы Большого взрыва. 1,2,3,4-стадии развития взрыва.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Возникновение крупномасштабных неоднородностей в модели инфляционной Вселенной.

Теория Г. Гамова неоднократно дополнялась другими космологами. В частности, в работах  А.  Гута,  позднее  А.  Линде   П. Стейнхардта  и других развито представление о  том,  что  практически  сразу  после  выхода из  сингулярности,  за время порядка 10-32 секунд Вселенная расширилась в 10³⁰  раз.

Этот,  первый,  этап  Большого  пути  теперь  называют  фазой  инфляции Вселенной, по аналогии с ростом денежной массы при инфляции в экономике. Фаза инфляции очень важна. В этот период локальные вариации температуры  расширялись  и  сглаживались,  а  начальная  громадная  кривизна  пространства резко уменьшилась.  После инфляции Вселенная стала плоской.

Кроме того, эта фаза запускает  механизм образования крупных космических  структур:  ничтожно  малые  флуктуации  квантовой  энергии-массы  расширились  вместе  с  пространственно-временным  континиумом  и превратились в макроскопические области повышенной плотности, предшественники  скоплений  галактик. [13]

Крупномасштабное скучивание галактик или существование самих  квазаров нельзя объяснить теорией  горячей Вселенной.

Квазар — космический объект сравнительно небольшого размера (не более 1 светового месяца), излучающий энергии больше, чем наша Галактика. Возможно, что это особо активные ядра огромных галактик, представленные черными дырами в 10⁹—10¹² масс Солнца.[11]

 Еще Хаббл, изучая в 20 — 30-е годы распределение галактик с помощью мощнейшего тогда 100-дюймового телескопа, выявил тенденцию образования групп галактик. Он отметил, что распределение ярких галактик неоднородно в очень больших угловых масштабах. Но при усреднении по областям определенных размеров распределение однородно. Так, вблизи галактических полюсов оно практически однородно, в пределах 10—40° вообще не наблюдается ни одной галактики. Хаббл объяснил это поглощением межзвездного газа, сосредоточенного вдоль плоскости Галактики.

Космическое фоновое излучение  — не единственный ключ к разгадке ранней истории Вселенной. Но почему вещество не заполняет равномерно все  пространство? Ведь в крупных масштабах  усреднения она однородна. Здесь  теории микро- и мегамира вновь идут вместе. В теории физики элементарных частиц главный процесс — нарушение симметрии. Во Вселенной нарушение симметрии ведет к образованию космических неоднородностей.

Текстуры — это зародыши агрегатов вещества, неоднородности, появившиеся вскоре после образования Вселенной. Текстуры могли превращаться в ходе эволюции в галактики и их скопления. Они создают вариации плотности, и в этих областях гравитация более эффективно тормозит общее расширение. Если гравитация преобладает над расширением, область начинает сжиматься, увеличивая флуктуации плотности. Ньютон был уверен, что самогравитирующие облака могут возникать самопроизвольно в равномерно распределенном веществе. Но в однородной космической среде сгустки образуются не так, как кристаллы в переохлажденной жидкости. Космологи считают, что флуктуации плотности в первоначальном огненном шаре, выросшие до современных структур, не могли образоваться самопроизвольно. Поэтому они должны были быть с самого начала. [8]

Вселенная очень неоднородна, что показывают обзоры крупномасштабного распределения галактик. Но она однородна в больших масштабах. Этот вывод получен из фонового излучения, содержащего информацию о свойствах Вселенной, очень далеко разнесенных в пространстве. Эти свойства оказываются совершенно одинаковыми, хотя эти точки могут идти от самого горизонта, сейчас — с расстояния 26 млрд световых лет. Галактики имеют тенденцию к скучиванию, образуя струи и сгущения, которые окружают пустоты — войды. Пустоты достигают размеров 100 — 400 млн световых лет. Можно ожидать, что видимое распределение окажется отличным от истинного распределения материи. И говорят, что вещество во Вселенной существует в форме светящихся звезд, газовых облаков и темного вещества. Об этом свидетельствуют и наблюдения орбитальных движений звезд и газа, а масса темного вещества в виде гало составляет до 10 масс видимого объекта (его оценивают по гравитационному воздействию). Природа темного вещества пока не выяснена, некоторые считают его холодным, но оно может скучиваться под влиянием гравитации с образованием объектов от галактик до сверхскоплений.

Но почему Вселенная  однородна в одних масштабах  и неоднородна в других, что же послужило началом расширения пространства Вселенной? В начальный момент в точке были огромное давление и высокая температура. Давление нагретых газов вызывает интенсивное расширение — взрыв. Если взрыв происходит в воздухе, имеет место перепад давлений между горячим газом и воздухом, вызванный неоднородностью плотности расширяющегося газа. Но вещество Вселенной однородно, поэтому перепада давлений, вызывающего подталкивающую к разлету силу, нет. Огромное давление в самом начале не может служить толчком к быстрому разлету. И наоборот, большое давление ведет, согласно общей теории относительности, к дополнительному тяготению, т. е. даже замедляет расширение. Эйнштейн ввел в теорию понятие силы гравитационного отталкивания, описываемой константой Л. Модель пустой Вселенной де Ситтера допускает, что космологическая постоянная вызывает ускоренный разлет частиц вещества. По оценкам в самом начале расширения плотность вещества во Вселенной была близка к критической. Причину этого назвали «проблемой критической плотности». В теории элементарных частиц получено, что при сверхбольших энергиях возможно существование монополей, струн .

Монополи — это своеобразные частицы, которые в 10¹⁶ раз массивнее протонов, возникали в эпоху Великого объединения, но в процессе дальнейшей эволюции Вселенной они частично аннигилировали, но должны еще быть. Может, они входят в «скрытую массу» Вселенной, ведь ее плотность в 30 раз превосходит плотность обычной материи. Современная теория вакуума признает существование разных вакуумов, зависящих от способа его получения. Вообще, вакуум — это состояние с минимальным значением энергии, ниже которого уже нельзя опуститься. Если даже удалить все частицы и поля, остается состояние «кипения пустоты». Оказывается, вакуум в некоторых случаях может обладать положительной плотностью энергии, плотностью массы и отрицательным давлением (натяжением). Эти особые свойства вакуума и приводят к увеличению космологической постоянной, которая меняет ситуацию, вызывая гравитационное отталкивание. По теории А. Гута и П. Сейнхардта, раздувание очень ранней Вселенной было сильным и кратковременным. Поэтому нас будет интересовать состояние вакуума, полученного при резком охлаждении Вселенной. Раздувание должно происходить по экспоненте, если силы вакуума становятся превалирующими во Вселенной.

Силы «антигравитации» становятся больше гравитационных, и это служит первотолчком к расширению с ускорением. В 70-е гг.советские физики Д.А. Киржниц и А. Линде показали, что такие условия могут возникать во Вселенной при больших давлениях и резком снижении температуры от очень больших значений, превышающих температуру эпохи Великого объединения. Эффекты квантовой гравитации, по теории Линде, приводят к возможности возникновения вакуумоподобных состояний, когда существует гравитационное отталкивание. Согласно теориям сверхплотной материи, такие состояния могут возникать по нескольким причинам. Плотности эти соответствуют энергиям почти планковским: 10¹⁹ ГэВ = 10³² К. Такую энергию частицы имели в момент порядка 3 • 10^-44 секунд. Можно вычислить, что в этот момент плотность материи р = 10⁹⁷ кг/м³ и тоже называется планковской. Таким образом, в это время при условиях, близких к планковским, существовало вакуумноподобное состояние, приведшее к инфляционному раз дуванию. Все локальные скучивания в течение фазы раздувания, или инфляции, сильно расширились, все микроскопические квантовые флуктуации превратились в макроскопические вариации плотности, из которой в будущем образовались структуры. Теория фазы инфляции основана на законах квантовой механики, но квантовые флуктуации настолько велики, что приходится подгонять ряд параметров модели.