КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина VIII

ПРОБЛЕМИ КОСМОГОНІЇ ТА КОСМОЛОГІЇ

Розділ 22

ЕЛЕМЕНТИ КОСМОЛОГІЇ

22.2. Еволюція Всесвіту

22.2.2. Первинна плазма. Адронна і лептонна ери

У перші миті після Великого Вибуху температура була, імовірно, настільки висока, що в первинній плазмі у великій кількості народжувалися частинки різної маси.

Кожна частинка має набір визначених характеристик, таких, як маса, електричний заряд і деякі інші. Маса спокою частинки та її енергія пов'язані добре відомим співвідношенням:

image86

Ще одне дуже важливе правило мікросвіту — співвідношення Гейзенберга: ∆E·∆t ≈ h (h — стала Планка). Відповідно до цього співвідношення певний «сплеск» енергії АЕ може виникнути й існувати тільки протягом проміжку часу ∆t. Частинки, які виникають внаслідок цих енергетичних сплесків, існують визначений час, а потім зникають, звуться віртуальними частинками.

Кожній частинці відповідає конкретна античастинка, причому їхні маси однакові. Наприклад, для електрона е-, що має від'ємний електричний заряд, античастинкою є позитрон е+. Усі характеристики позитрона й електрона збігаються за винятком одного — знаку електричного заряду. Для протона (електричний заряд додатний) античастинкою є антипротон, що несе від'ємний заряд. Нейтрон не має електричного заряду, проте, для нейтрона античастинкою є антинейтрон, що відрізняється від нього іншою специфічною характеристикою.

Навколишній світ, Сонце й інші зорі складаються з частинок — протонів, нейтронів, електронів. Частка античастинок у Всесвіті, здається, мізерно мала. Цей факт має важливе космологічне значення, він породжує проблему зарядової асиметрії Всесвіту і буде докладніше розглянутий далі.

Усі частинки мікросвіту беруть участь у чотирьох фундаментальних взаємодіях природи: електромагнітній, сильній, слабкій і гравітаційній. Кожна взаємодія припускає наявність частинок-джерел взаємодії і частинок-носіїв взаємодії. Джерела створюють відповідне поле (наприклад, електромагнітне), а носії забезпечують «зв'язок» між різними джерелами. При цьому кожну частинку можна вважати за згусток енергії того чи іншого поля.

Відповідно до загальноприйнятої сьогодні стандартної моделі мікросвіту елементарними вважаються такі частинки: важкі — кварки (їх відомо 6 типів), легкі — лептони (електрон, мюон, тау-лептон, нейтрино — електронне, мюонне і тау-нейтрино, і відповідні їм позитрон та інші античастинки) і віртуальні частинки — носії взаємодії: фотони (переносять електромагнітну взаємодію), векторні бозони (3 типи), що забезпечують слабку взаємодію, і глюони (8 типів), — носії сильної взаємодії. З кварків побудовані важкі частинки — адрони (протон, нейтрон і т. д). Наприклад, протон складається з трьох кварків (uud), кожний з яких має дробовий електричний заряд у одиницях заряду електрона (+2/3, +2/3 і —1/3), так що в сумі заряд складеної частинки — протона рівний +1. Електрично нейтральна частинка — нейтрон — складається з двох кварків із зарядом — 1/3 й одного кварка, що має заряд +2/3, у сумі (udd) це дає нульовий електричний заряд.

Крім перелічених вище частинок, стандартна модель мікросвіту постулює існування так званого поля Хіггса і пов'язаних з ним частинок — хіггсовських бозонів, що, ймовірно, відіграють одну з провідних ролей як у мікро- так і в макросвіті, але які поки ще експериментально не виявлені. їхнє існування теоретично було передбачене П. Хіггсом у 1965 році. Вважається, що поле Хіггса заповнює весь простір Всесвіту. Взаємодія між полем Хіггса і всіма іншими частинками мікросвіту приводить до появи у останніх такої фундаментальної характеристики, як маса. Саме завдяки різним властивостям взаємодії з полем бозонів Хіггса, одні частинки реалізуються в природі, як електрони, інші як протони, і т. д. Самі ж бозони Хіггса — надважкі частинки, з масою порядку 1014 ГеВ (приблизно 10-13 кг). Вони поділяються на Х та Y-бозони (та їхні античастинки X і Y ). Вважається, що усі вони мають дробовий електричний заряд ±4/3.

Втім, не тільки бозони Хіггса залишаються загадкою для сучасної науки. Дотепер, наприклад, не з'ясовано, які частинки переносять гравітаційну взаємодію, хоча з гравітацією кожний з нас зіштовхується протягом усього життя. Усі без виключення частинки беруть участь у гравітаційній взаємодії.

Електромагнітна взаємодія — добре знайомий нам з повсякденної практики тип взаємодії. Відомо, що її джерелом є електрично заряджені частинки, такі як, скажімо, електрон і протон (наприклад, нейтрон і нейтрино, будучи електрично нейтральними частинками, в електромагнітній взаємодії не беруть участі). Взаємодія між двома електрично зарядженими частинками здійснюється за допомогою носіїв електромагнітного поля — віртуальних фотонів. Оскільки фотон не має маси спокою, він може існувати тривалий час, переносячи взаємодію зі швидкістю світла на значні відстані. Тому електромагнітна взаємодія є далекодіючою. Навіть перебуваючи на великій відстані, електрично заряджені частинки «відчувають» присутність одна одної.

Слабка взаємодія — короткодіюча. Носії цієї взаємодії — віртуальні бозони W± — мають масу приблизно 81 ГеВ, що в 100 разів більше від маси протона, а, отже, час існування кожної такої частинки обмежений, усього 10-25с. Рухаючись зі швидкістю, близькою до швидкості світла, віртуальний бозон встигає за такий час пройти лише близько 10-17 м. Приклад слабкої взаємодії — розпад вільного нейтрона за схемою: n → p + W-, W- → е- + ve. Інший приклад — перша з реакцій протон-протонного циклу (див. підрозділ 14.6.1). Кожен протон — джерело віртуальних бозонів. У межах дії віртуального бозона, випущеного одним із протонів, може виявитися інший протон, здатний поглинути віртуальний бозон і розпастися на нейтрон, позитрон і нейтрино. Після цього уцілілий протон і знову утворений нейтрон, обмінюючись частинками вже іншого типу, можуть об'єднатися в єдине ядро дейтерію. Це вже приклад сильної взаємодії.

Сильна взаємодія відбувається між кварками, чи, іншими словами, між частинками, що складаються з кварків. Сильна взаємодія, як і слабка, є короткодіючою, тому що віртуальні носії цієї взаємодії (глюони) — це масивні частинки, і вони можуть існувати лише дуже малий час, встигаючи перенести взаємодію тільки на незначну відстань. Завдяки сильній взаємодії баріони можуть об'єднуватися в атомні ядра. Лептони участі в сильній взаємодії не приймають.

У 1967 р. розроблено єдину теорію слабких та електромагнітних взаємодій, за якою при енергіях, вищих від 100 ГеВ, слабкі та електромагнітні сили вже не розрізняються. За існуючими тепер теоріями, при температурах 1027 К відбувається Велике об'єднання електромагнітної, слабкої і сильної взаємодій. Саме тут роль квантів поля, завдяки яким переноситься взаємодія, повинні б відігравати бозони Хіггса. При температурах понад 1032 К настає Супероб'єд- нання, коли до згаданих трьох взаємодій приєднується ще й гравітація.

Первинний Всесвіт складався із суміші випромінювання високої енергії (γ-квантів) і частинок мікросвіту. При визначеній температурі Т можливим є народження частинок з масою спокою:

image89

Частинки народжуються парами «частинка-античастинка» при зіткненні двох енергійних γ-квантів. Наприклад, у реакції :

image90

або

image91

Зникають частинки також парами, випромінюючи при цьому γ-кванти високої енергії. Процес зникнення пари «частинка — античастинка» зветься анігіляцією.

При температурі Т = 1028 К, що згідно з (22.11) відповідає t = 10-36 с після Великого Вибуху, у плазмі повинні були народжуватися частинки з масою аж до 10-12 кг (порівняйте з масою протона mp = 1,67· 10-27 кг). Це величезна маса для мікросвіту.

Зі зниженням температури гранично можлива маса частинок, що народжуються, безупинно зменшується. Частинки з масою, більшою від граничної, зникають при анігіляції, а для народження нових не вистачає енергії γ-квантів. І якщо виявиться, що з якихось причин число частинок певного сорту не дорівнює строго числу відповідних їм античастинок, то після повної анігіляції в плазмі залишиться ще деяка кількість надлишкових частинок, що так і не знайшли собі «пари» для анігіляції.

Розглянемо конкретний приклад. З моменту народження Всесвіту і аж до однієї мікросекунди (t = 10-6 с, Т = 1013 К) у плазмі народжувалися й анігілювали адрони (зокрема протони й нейтрони) і відповідні їм античастинки. Оскільки адрони є складені частинки й утворені вони з кварків, то доречно говорити про народження пар типу «кварк-антикварк». Цей короткий проміжок часу зветься адронна ера. Плазма первинного Всесвіту упродовж адронної ери була переважно сумішшю високоенергійних γ-квантів, кварків і глюонів, які забезпечують взаємодію між кварками. До закінчення адронної ери температура знизилася до значення, за якого народження нових кварк-антикваркових пар стає неможливим. Протягом деякого проміжку часу всі наявні в первинній плазмі пари анигілілюють, за винятком невеликої частки надлишкових кварків, з яких надалі утворяться протони і нейтрони. Саме ці «реліктові» баріони і стали своєрідним будівельним матеріалом для всього розмаїття об'єктів Всесвіту, що ми з вами спостерігаємо сьогодні: галактик, зір, планет тощо.

Частинки, менш масивні, як наприклад, електрони і позитрони, продовжували народжуватися і при значно менших температурах. При взаємодії цих частинок із раніше утвореними протонами і нейтронами виникали нейтрино й антинейтрино. Оскільки маса електрона (і позитрона) складає 9,1· 10-31 кг, то народження електрон-позитронних пар припинилося після того, як температура плазми знизилася приблизно до шести мільярдів градусів, що відбулося через приблизно 3 с після народження Всесвіту. Цей момент ознаменував собою закінчення лептонної ери. Всі електрон-позитронні пари припинили своє існування внаслідок анігіляції, залишивши у Всесвіті деяку кількість надлишкових електронів. Саме ці електрони сьогодні входять до складу атомів і молекул речовини Всесвіту. Річ ясна, ця — поки що лише орієнтовна — схема може набути істотно іншого звучання в теорії суперструн, яка, у поєднанні з ідеями суперсиметрії, зможе дати відповіді і на питання «Чому конкретні фізичні сталі мають конкретні числові значення?».






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.