Студопедия.Орг Главная | Случайная страница | Контакты | Мы поможем в написании вашей работы!  
 

Модель Большого Взрыва



С точки зрения теории Вселенная родилась в сингулярном состоянии с бесконечно большими плотностями и температурой в некоторый момент времени – Большой Взрыв. В процессе последующего расширения ее температура падала до современного уровня. Многие выводы теории горячей Вселенной не подтвердились опытами. Часть проблем удалось решить в теории «раздувающейся» Вселенной, согласно которой Вселенная в начальной стадии находилась в вакуумоподобном состоянии с большей плотностью энергии. Эту стадию называют стадией раздувания или инфляции. Стадия инфляции длилась примерно 10-35 секунды при температурах свыше 1028 Кельвина. Физический вакуум – наилучшее энергетическое состояние всех полей. В нем нет вещества и излучения, но имеются возникающие и уничтожающиеся виртуальные частицы. «Ложный вакуум» – возбужденное состояние вакуума с силами гравитационного отталкивания. Именно эти силы повинны в расширении Вселенной с громадной скоростью. Такое расширение и было вызвано инфляцией. В конце периода инфляции плотность энергии поля стала переходить в плотность массы частиц и античастиц, движущихся с ультрарелятивистскими скоростями. Несмотря на незавершенность, инфляционная модель объясняет однородность и изотропность Вселенной, а также образование Галактик и их скоплений из малых первичных возмущений плотности. На этом этапе не могли родиться гравитоны. Существовало лишь одно взаимодействие – супергравитация. Следующий этап рождения Вселенной называется эрой Великого объединения. Температура упала до 1027 Кельвина. Во Вселенной образовалось большое число массивных частиц X – и Y бозонов, осуществляющих единое сильное и электрослабое взаимодействие. С участием бозонов кварки могли превращаться в лептоны, а лептоны – обратно в кварки. Количество частиц и античастиц было одинаково. По мере снижения температуры бозоны и их античастицы стали распадаться. При распаде образовался избыток частиц по сравнению с античастицами. По мере дальнейшего остывания Вселенной античастицы аннигилировали с частицами. В результате этого процесса большая часть вещества превратилось в излучение, которое в конечном итоге остыв, превратилось в фоновое излучение.

Через 10-12 секунды после Большого Взрыва температура была больше 1015 Кельвина. Произошло отделение слабого взаимодействия от магнитного. Промежуточные векторные бозоны, кварки и лептоны приобрели массу, а фотон остался безмассовым. В результате появились известные ныне частицы – электрон, нейтрино, фотоны. Следующий фазовый переход произошел спустя 10-3 с, когда температура спустилась до 1013 градусов. Кварки начали объединяться в адроны (протоны, нейтроны и другие, сильно взаимодействующие частицы).

Через 0,2 с при температуре 2·1010 К электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Вселенная для них стала прозрачной, образовавшиеся к тому времени нейтрино сохраняются вечно. Подобно реликтовым фотоном они постепенно теряют свою энергию – охлаждаются.

В конце первой секунды при температуре 2·1010 К все пространство заполнено хаотически движущимися частицами – протонами и нейтронами вместе с электронами, нейтрино и фотонами. Для образования сложных ядер температура еще слишком высока. Через минуту температура упала примерно в 100 раз. Протоны и нейтроны стали объединяться в основном в ядра гелия. Через несколько минут температура упала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Образовавшаяся плазма состояла на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Последние образовали впоследствии водород – основное топливо звезд, включая Солнце. Без водорода нет воды и нет жизни.

Лишь по истечении сотен тысяч лет стали появляться первые атомы водорода и гелия среди водородно-гелиевой плазмы. Процесс рекомбинации протонов и электронов с образованием водорода и гелия начался с температуры около 4000 К. Равновесие с излучением нарушилось. Излучение обособилось, его температура снижалась и в настоящее время составляет около 3 К. Реликтовое фоновое излучение было предсказано в 1952 г. Гамовым, а в 1965 г. оно было обнаружено в опытах Пензисса и Уилсона.[10, 12]

Первоначально сплошная однородная плазма должна была распадаться на отдельные сгустки, так как материя не могла быть распределена с постоянной плотностью. В дальнейшем из сгустков образовались скопления галактик. Под действием сил гравитации в отдельных местах сжатие преобладало над расширением и из скоплений возникли протогалактики, а внутри них – протозвезды. Образование звезд и протозвезд – диффузной межзвездной среды – продолжается и в настоящее время. Вокруг звезд происходило формирование планетных систем. В результате эволюции Вселенной возникли все существующие формы материи, включая, живые и разумные существа. Как оказалось, универсальные физические константы имеют значения, обеспечивающие возникновение жизни на нашей планете. Расчеты показывают, что даже незначительные отклонения известных постоянных препятствовали бы появлению тяжелых металлов, галактик и живых существ. Разумеется, речь идет о водно - углеродной форме жизни. Этот факт, носящий название антропного принципа, породил множество вопросов философского характера. Согласно одной формулировке «Вселенная должна быть такой, чтобы на определенном этапе эволюции ее параметры допускали существование наблюдателей». Не исключено, что существует некоторый тип универсальных связей, определяющих целостный характер нашего мира как системного фрагмента бесконечно разнообразной природы.

В основе концепции Большого Взрыва лежит предположение о том, что началу эволюции Вселенной (t = 0) соответствовало состояние с бесконечной плотностью r = ¥ (сингулярное состояние Вселенной). С этого момента Вселенная расширяется, а ее средняя плотность r уменьшается со временем по закону

(10.1)

где G - гравитационная постоянная.

Вторым постулатом теории Большого Взрыва является признание решающей роли светового излучения на процессы, происходившие в начале расширения. Плотность энергии e такого излучения, с одной стороны, связана с температурой Т известной формулой Стефана-Больцмана

, (10.2)

где s = 7,6 10-16 Дж/м3град4 -постоянная Стефана-Больцмана, а с другой стороны, с плотностью массы r

(10.3)

где с - скорость света.

Подставив (10.3) в (10.1), с учетом численных значений G и s получаем

(10.4)

где время выражается в секундах, а температура - в кельвинах.

График зависимости Т (t) показан на рисунке 10.1, где отмечены наиболее важные события, о которых говорится ниже.

Рис. 10.1.  

При очень высоких температурах (Т > 1013 К, t < 10-6 с) Вселенная была абсолютно непохожа на то, что мы видим сегодня. В той Вселенной не было ни галактик, ни звезд, ни атомов... Как в «кипящем котле» в ней непрерывно рождались и исчезали кварки, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий, в первую очередь, фотоны (g). При столкновении двух фотонов могла, например, родиться пара электрон (е -) - позитрон (е +), которая практически сразу аннигилировала (самоуничтожалась), вновь рождая кванты света,

.

Аннигиляция электрон-позитронной пары могла привести к рождению и других пар частица-античастица, например, нейтрино (n) и антинейтрино ()

Аналогичные обратимые реакции шли и с участием адронов, в частности, нуклонов (протонов, нейтронов и их античастиц).

Следует, однако, иметь в виду, что рождение пары частица-античастица при столкновении фотонов возможно только при условии, что энергия фотонов W g превышает энергию покоя рождающихся частиц. Средняя энергия фотонов в состоянии термодинамического равновесия определяется температурой

где k - постоянная Больцмана.

Поэтому обратимый характер процессов с участием фотонов имел место только при температурах, превышавших вполне определенное значение для каждого типа элементарных частиц

Например, для нуклонов m 0 c 2 ~ 1010 эВ, значит Т нукл ~ 1013 К. Так что при Т > Т нукл могло происходить и происходило непрерывное возникновение пар нуклон-антинуклон и их почти мгновенная аннигиляция с рождением фотонов. Но как только температура Т стала меньше, чем Т нукл, нуклоны и антинуклоны за весьма короткое время исчезли, превратившись в свет (см. рис. 10.1). И если бы это имело место для всех нуклонов и антинуклонов, то Вселенная осталась бы без стабильных адронов, а значит не было бы и того вещества, из которого впоследствии образовались галактики, звезды и другие космические объекты. Но оказывается, что в среднем на каждый миллиард пар нуклон-антинуклон приходилась одна «лишняя» частица. Именно из этих “лишних” нуклонов и построено вещество нашей Вселенной.

Аналогичный процесс аннигиляции электронов и позитронов произошел позже, при t ~ 1 с, когда температура Вселенной упала до ~ 1010 К и энергии фотонов стало не хватать для рождения электрон-позитронных пар. В результате во Вселенной осталось относительно небольшое число электронов - ровно столько, чтобы скомпенсировать положительный электрический заряд «лишних» протонов.

Оставшиеся после глобального самоуничтожения протоны и нейтроны некоторое время обратимо переходили друг в друга в соответствии с реакционными формулами

И здесь решающую роль сыграло небольшое отличие масс покоя протонов и нейтронов, которое, в конце концов, привело к тому, что концентрации нейтронов и протонов оказались различными. Теория утверждает, что к исходу пятой минуты на каждые сто протонов приходилось примерно 15 нейтронов. Именно в это время температура Вселенной упала до ~ 1010 К, и создались условия для образования стабильных ядер, прежде всего ядер водорода (Н) и гелия (Не). Если пренебречь ядрами других элементов (а они тогда действительно почти не возникали), то с учетом приведенного выше соотношения протонов и нейтронов, во Вселенной должно было образоваться ~ 70% ядер водорода и ~ 30% ядер гелия. Именно такое соотношение этих элементов и наблюдается в межгалактической среде и в звездах первого поколения, подтверждая тем самым концепцию Большого Взрыва.

После образования ядер Н и Не в течение длительного времени (порядка миллиона лет) во Вселенной почти ничего заслуживающего внимания не происходило. Было еще достаточно горячо, чтобы ядра могли удерживать электроны, так как фотоны тут же их отрывали. Поэтому состояние Вселенной в этот период называют фотонной плазмой.

Так продолжалось до тех пор, пока температура не упала до ~ 4000 К, а это случилось через ~ 1013 с или почти через миллион лет после Большого Взрыва (см. рис. 10.1). При такой температуре ядра водорода и гелия начинают интенсивно захватывать электроны и превращаться в стабильные нейтральные атомы (энергии фотонов уже недостаточно, чтобы эти атомы разбивать). Астрофизики называют этот процесс рекомбинацией.

Только с этого момента вещество Вселенной становится прозрачным для излучения и пригодным для образования сгустков, из которых потом получились галактики. Излучение же, называемое реликтовым, с тех пор ведет независимое существование, путешествуя по Вселенной по всем направлениям. Сейчас к нам на Землю приходят кванты этого излучения, которые пролетели практически прямолинейно огромное расстояние, равное произведению скорости света с на время tр, которое прошло с момента рекомбинации: L = сt р. Но ведь в результате расширения Вселенной мы фактически “убегаем” от этих квантов реликтового излучения со скоростью где время, которое прошло с момента Большого Взрыва. А это значит, что длины волн у принимаемого нами реликтового излучения из-за эффекта Доплера должны быть во много (~ t 0/ t р) раз больше, чем у того, которое было в момент рекомбинации при Т ~ 4000 К. Расчеты показывают, что реликтовое излучение, регистрируемое на Земле, должно быть таким, как если бы оно было испущено телом, нагретым до температуры Т ~ 3 К. Именно такими свойствами и обладало излучение, которое зафиксировали в 1965 году А. Пензиас и Р. Вильсон. Это фоновое излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения составляет согласно современным данным 2,74 К. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.





Дата публикования: 2015-01-23; Прочитано: 558 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!



studopedia.org - Студопедия.Орг - 2014-2024 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.008 с)...