умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
Тема 6.4. Основы космологии. 1028 эВ элементарные частицы интерпретируются как продольные колебания одномерных протяженных объектов планковских размеров ("струн"), концы которых могут быть как свободными, так и соединенными друг с другом. Для любого момента времени "струне" соответствует линия в трехмерном пространстве, а движению струны в пространстве-времени – двумерная поверхность "мирового листа".Известные нам законы физики начали действовать с момента tв= 10-43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли Rв= 10-31 м при плотности материи r в=1074–1094 г/см3 с температурой Тв = 1,3 ×1032 К.  .С этого момента пространство и время обрели привычные нам свойства. При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = - р× с2породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы (как современные фотоны) частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума: от 1088 до 10108 Дж/см3 и становились в соответствие с соотношением  сверхмассивными объектами.Возникшая часть Вселенной - Мини-Вселенная - стала стремительно, "инфляционно" расширяться по экспоненциальному закону:  .Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту tв = 10-36 с полностью выделилась в форме рождения частиц материи с энергией до 1025 эВ; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась. Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик, каждая из которых обладала своим уникальным набором физических характеристик, зависящих от времени инфляционного расширения Мини-Вселенной и ее размеров (рис. 79).  Рис. 79 Все основные физические характеристики нашей Метагалактики определились в первые мгновения ее существования. С момента разделения Мини-Вселенной на множество метагалактик наша Метагалактика равномерно расширяется в пространстве, изменяя размеры по формуле:  .Молодая Метагалактика состояла из невообразимой смеси элементарных частиц и электромагнитного излучения при температуре  (К) в состоянии термодинамического равновесия: плотность среды была настолько велика, что все физические процессы взаимодействия частиц происходили быстрее изменения условий протекания реакций. В результате непрерывных процессов взаимодействия элементарных частиц между собой и фотонами излучения появлялись и аннигилировали, взаимно уничтожаясь, превращаясь в излучение, пары сверхтяжелых частиц и античастиц; количество вещества превышало количество антивещества всего лишь на 1/1000000000!По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства:  .Энергии взаимодействия частиц и излучения не хватало для рождения пар частиц и античастиц, тождественных тем, что уже взаимно уничтожились. При температуре 1030 К сверхтяжелые частицы Х- и У-бозоны распались на кварки и антикварки. Избыток вещества над антивеществом был обусловлен взаимодействием сверхтяжелых частицы-лептокварков, сочетавших в себе свойства лептонов и барионов и способных изменять барионное число частиц, в эпохи "горячего" (при ТМ » 1028 К) и "холодного" (ТМ » 1024 К) бариосинтеза, до и после эпохи "пустыни взаимодействий", когда с момента возникновения Метагалактики прошло 10-35 с. Через 10-4 с, при снижении температуры вещества Метагалактики до 1013 К кварки стали соединяться, образуя привычные нам частицы нуклоны (протоны и нейтроны), электроны и их античастицы.  С уменьшением температуры уменьшалось число тяжелых и увеличивалось число легких элементарных частиц. При температуре ниже 1013 К (tM = 10-5 c) "вымерла" большая часть протонов и антипротонов, при температуре ниже 1012 К (tM = 10-3 c) "вымерли" мезоны. При температуре 1011К Метагалактика состояла из "кипящей" первичной кварк-глюонной плазмы при концентрации энергии около 1 ГэВ/10-15 м3 на и плотности среды 7× 1014 г/см3. К этой эпохе (tM = 10-4 c, при RM = 10-15 м, r M = 1014 г/см3) относятся первые материальные свидетельства - данные астрономических наблюдений и физических экспериментов, подтверждающие правоту данных теорий происхождения Метагалактики. При температуре 1,6× 1010 К (tM = 0,3 c) нейтрино "отделилось от вещества". Плотность среды понизилась (расстояние между элементарными частицами увеличилось) настолько, что нейтрино могли свободно перемещаться в пространстве, не взаимодействуя с частицами среды. В это время протоны начинают взаимодействовать с нейтронами, присоединяя их и образуя атомные ядра - в основном, водорода (  ) и гелия ( ), а также некоторое количество дейтерия, трития, лития и гелия-3. Данные астрономических наблюдений свидетельствуют об образовании атомных ядер даже некоторых тяжелых элементов: углерода, кислорода, бериллия, бора и азота, - возможно, при взаимодействии атомных ядер между собой, когда среднее расстояние между частицами равнялось размерам самих частиц: и т. д.При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 109 К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар. Через 100 с после большого Взрыва Метагалактика состояла на 70-75% из протонов, электронов и других частиц, 25-30% из ядер гелия, и менее, чем на 1% из ядер более тяжелых элементов. С момента времени tМ = 10-35 c температура вещества равнялась температуре излучения. В этой плотной раскаленной плазме уже, вероятно, существовали случайные, разные по величине и массе " |
