Критическая плотность. Модели

Открытой и замкнутой Вселенной

Расширение Вселенной протекает с замедлением. Если плотность достаточно велика, велико и замедление расширения. В результате расширение прекращается и сменяется сжатием. Аналогично тому, что ракета, разогнавшись до второй космической скорости, должна покинуть небесное тело. Скорость в 12 км/с достаточна, чтобы покинуть Землю. Для Юпитера – 61 км/с. Скорость, с которой галактика удаляется от центра V = H ∙ R .

Вторая космическая скорость для шара массы М

, ,

Выразим плотность .

При постоянной Хаббла Н=75 км/(с∙Mnc)

В зависимости от плотности вещества и соотношения с возможны различные модели кривизны пространства, вытекающие из теории относительности. Наличие кривизны пока нельзя считать доказанным, хотя оно является вероятным, если учитывать подтверждение других выводов релятивистской космологии. Косвенно можно определить по плотности или, если наблюдается отклонение от линейной зависимости кривой смещения от расстояния. На основе имеющихся данных о средней плотности нельзя сделать выбора между открытой (расширение безгранично) и замкнутой (расширение в дальнейшем должно смениться сжатием) моделями.

1. Если кривизна пространства Вселенной отрицательна ( ) или равна 0, то пространство бесконечно простирается во все стороны, содержит бесконечное количество небесных тел, элементарных частиц и галактик. Такой мир называется открытым. Качественно его структура такая же, как и евклидова мира. Вселенная в этой модели расширяется, темп расширения вначале падает, затем стабилизируется.

2. Однако, если , кривизна положительна, а трехмерное пространство оказывается замкнутым и конечным, но столь же неограниченным, т. к. двигаясь по нему, нельзя достичь какой-либо границы. Вселенная расширяется, затем расширение останавливается и сменяется сжатием. Такая модель называется замкнутой.

Эволюция Вселенной. Физические процессы

«Холодный» и «горячий» варианты развития Вселенной.

Предполагалось вначале при отсутствии конкретной теории сверхплотного состояния (30-е годы) все вещество Вселенной в виде холодных нейтронов.

В ходе расширения

Протон будет соединяться с нейтроном, давая дейтрон D.

Реакции усложнения атомных ядер будут продолжаться до тех пор, пока не образуется - частица – ядро атома гелия. Таким образом, все вещество превратится в гелий. Этот вывод противоречит наблюдениям. Известно, что молодые звезды и межзвездный газ состоит в основном из водорода, а не из гелия. Наблюдения отвергают холодную (энтропия S=0) нейтронную гипотезу первичного вещества.

«Горячий» вариант начальной стадии расширения Вселенной был предложен в работах американского физика А. Гамова. Предполагалось, что на начальной стадии температура была высока и энтропия велика: >> 1.

Начальная температура внутри сингулярности (состояние огромной плотности всего вещества) превышала 10¹³градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует 273 С° шкалы Цельсия. Плотность материи ≈ 10⁹³(г/см³) (получено с учетом квантовых эффектов в гравитации). Это значение более чем на 120 порядков больше сегодняшней средней плотности во Вселенной и почти на 80 порядков больше плотности атомного ядра.

При сверхвысокой плотности все процессы превращения частиц идут весьма быстро, гораздо быстрее, чем меняется плотность вещества в ходе расширения. Все реакции, какие могут протекать, успевают протечь, пока условия существенно не изменились, и вещество будет находиться в состоянии термодинамического равновесия.

Нужна совершенно новая физическая теория (синтез существующей теории тяготения и квантовой теории). Условия определяются такими величинами, как плотность, температура. Есть еще два параметра – энтропия и лептонный заряд. Первое число характеризует степень нагретости вещества. Чем больше нагрето вещества, тем больше в нем фотонов. Число квантов, приходящиеся на одну тяжелую частицу – барион, и характеризует степень нагретости – энтропию (удельную энтропию). Во Вселенной лептонный заряд характеризуется разностью числа нейтрино и антинейтрино, приходящихся на один барион, плюс разность числа электронов и позитронов, приходящихся на один барион. Оба числа во Вселенной, будучи заданными в один момент, остаются почти постоянными, не меняются с расширением. Чтобы рассчитать процессы (ядерные реакции) в начале расширения, для модели Фридмана надо задать два числа: энтропию S и лептонный заряд L. Подтверждением теории является то, что рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, можно получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и изотопов.

В состоянии высокой плотности неизбежно должен был произойти «большой взрыв». Такой взрыв произошел 15-20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, потом умеренным расширением и постепенным охлаждением. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, что через 0,01 с после взрыва плотность материи должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов. При этом могли происходить непрерывные превращения пар электрон + позитрон в фотоны и обратно. Но уже через 3 мин после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Оно было обнаружено случайно в 1965 году сотрудниками американской компании «Bell» в диапазоне ~ 1 см. Реликтовое излучение является подтверждением горячей Вселенной.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы, со временем не ликвидируется, а усиливается. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и к возникновению новой структуры.

Нарушение симметрии между веществом и антивеществом, возникновение, в частности, пар разноименно заряженных частиц, таких как электрон и позитрон – один из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной. Столкновение их приводит к образованию двух фотонов . Вещество каким-то образом оказалась отделенным от антивещества, иначе вследствие аннигиляции не произошло бы образование мира. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд градусов по Кельвину, первые 8 с после взрыва там существовала смесь электронов и позитронов. На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот. Между веществом и излучением сохранилась симметрия. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и понижения ее температуры.

На этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Возник крайне незначительный перевес вещества над излучением (примерно излишек одного протона или нейтрона на миллиард фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло разнообразие материальных образований, явлений и форм.

Физический вакуум

Таким образом, в действительности можно рассматривать материю не в двух проявлениях – веществе и поле, а в трех. Третьим является физический вакуум. Физический вакуум является прародителем всех частиц вещества и квантов полей вследствие спонтанного нарушения симметрии. Общепринятое представление о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0, отвергается. Признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей. Возникает представление о существовании вакуумных конденсатов – состояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 109; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!