КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина VIII

ПРОБЛЕМИ КОСМОГОНІЇ ТА КОСМОЛОГІЇ

Розділ 22

ЕЛЕМЕНТИ КОСМОЛОГІЇ

22.3. Інфляційна модель Всесвіту

Труднощі, з якими зіштовхнулася модель Великого Вибуху при спробі пояснити такі спостережувані характеристики Всесвіту, як однорідність, ізотропність і плоска геометрія простору, вдалося вирішити на початку 80-х років XX століття побудовою інфляційної моделі Всесвіту. Ця модель постулює існування в часі фізичного поля φ, визначеного частинками із властивостями, що нагадують властивості вже знайомих нам частинок Хіггса. Вважається, що поле таких гіпотетичних частинок характеризується різними значеннями потенціалу ν(φ) в різних точках простору, яке воно утворює. Густина енергії поля може досягати дуже великого значення 10114 Дж/м3 (еквівалент на масова густина 1093 г/см3). Це неймовірно велике значення, але, що дуже важливо відмітити, воно все ж таки скінчене, на відміну від одного з припущень моделі Великого Вибуху, за яким густина Всесвіту у стані сингулярності необмежено велика.

У тих областях простору, де поле має великий потенціал, імовірність його переходу в стан з меншою енергією зростає. Тут відбувається так званий фазовий перехід. Його тривалість мізерно мала — не більш, як 10-35 с. За цей час локальне значення потенціалу поля зменшується від первісного дуже великого до нуля. А початковий етап такого фазового переходу поля займає усього лише 10-43 с. Саме протягом цієї короткої миті, мабуть, і відбувається народження фізичного простору і часу Всесвіту!

Нам здається, що час тече безупинно, а всі події ми вимірюємо певними інтервалами. Повна тривалість життя нашого Сонця — близько 10 мільярдів років, середня тривалість життя людини менша за 100 років, час життя вільного (не в складі ядра) нейтрона — 15 хвилин, а найкоротшежи- вучі частинки, які людина може створити сьогодні в прискорювачах, існують всього 10-25 с. Подій більш короткочасних ми поки не знаємо. У порівнянні з проміжком часу 10-43 с навіть час життя цих частинок здається вічністю — воно в 1018 разів триваліше! Проміжок часу tpl = 5,4· 10-44 с (чи приблизно 10-43 с) прийнято називати «квантом часу». Вперше це поняття було введено у фізику внаслідок використання комбінації світових сталих — гравітаційної сталої, швидкості світла і сталої Планка. Одна з таких комбінацій з розмірністю часу і визначає квант часу t , який ще називають планківським часом. Крім цього, в теорію введено планківську довжину l , планківську масу mpl і планківську густину ρ . Формули, за якими обчислюють ці величини, мають вигляд:

image98

Їхній зміст такий: розмір і маса причинно зв'язаної області в народженому Всесвіті дорівнюють відповідно планківській довжині і планківській масі. Для будь-якого спостерігача причинно зв'язана область — це сферичний об'єм з центром у точці спостереження і радіусом, який дорівнює ο·ί (c — швидкість світла, t — час існування Всесвіту). Для спостерігача відстань визначає положення горизонту подій, тобто це є максимальна відстань у певний момент часу, з якої можна одержувати світлову інформацію. Таким чином, наприклад, для земного спостерігача сьогоднішня причинно зв'язана область — це спостережувана частина Всесвіту, розмір якої становить приблизно 1026 м. Густина енергії, що укладалася в причинно зв'язаній області на момент народження Всесвіту, сягала значенняimage99(відповідна цьому планківська температураimage100а — стала Стефана).

Проміжок часу, протягом якого відбувається народження Всесвіту, називається планківською ерою. Може виникнути закономірне питання: чому при такій фантастичній густині енергії сила гравітації миттєво не перетворює народжений Всесвіт у чорну діру? Відповідь на це питання полягає в незвичайних властивостях поля, фазовий перехід якого і дає початок Всесвіту. Одна з характеристик такого поля — його від'ємний тиск. Саме цей тиск діє як сила антигравітації, що перешкоджає гравітаційному колапсу тільки-но народженого Всесвіту. Детальне дослідження особливостей поводження поля φ під час фазового переходу показує, що розміри народженого Всесвіту з часом швидко зростають за експоненційним законом. Справді, згідно з прикладом в), розглянутим на початку підрозділу 22.2, за умовоюimage101густина речовини і енергії є сталою. Тому інтегрування рівняння (22.9) приводить до такої залежності масштабного фактора від часу:

image102

Слід зауважити, що, на відміну від тих випадків, які описують еволюцію масштабного фактора в моделі Великого Вибуху від моменту сингулярності і до наступного часу, і в яких відповідно a(t) ∞ t1/2 та a(t) ∞ t3/2 (що приводить до залежності H(t) ∞ 1/t), при від'ємному тиску параметр Хаббла є сталою величиною, і не залежить від часу. В планківську епоху параметр H визначається характеристиками поля φ і досягає величезного значення — приблизно 1043 с1, тому навіть якщо народжений Всесвіт мав розміри, порівнянні з планківською довжиною (10-33 см), то за час фазового переходу поля (10-35 с) його розміри, як випливає з (22.20), повинні були зрости в exp(108) разів! Процес такого неймовірного «роздування» Всесвіту зветься космологічною інфляцією. Треба звернути увагу на те, що за проміжок часу 10-35 с Всесвіт змінює свої розміри від мізерно малої величини до неймовірно великої, що, здається, не узгоджується з постулатом про швидкість світла, як про гранично можливу швидкість у природі. Насправді протиріччя тут немає. Швидкість світла справді накладає межі на швидкість передачі будь-яких сигналів між різними ділянками простору. У випадку ж інфляції розширюється сам простір. Якими б малими не були первісні розміри Всесвіту, вони миттєво будуть збільшені космологічною інфляцією в неймовірно велике число разів. Простір Всесвіту в буквальному значенні роздувається за 10-35 с до непідвладних для уявлення розмірів. Внаслідок інфляції простір Всесвіту вмить стає плоским, усі первісні неоднорідності стираються.

Чому цей висновок інфляційного сценарію є привабливим для космології? Передусім тому, що він дозволяє природно вирішити проблему однорідності, яка виникає в моделі Великого Вибуху. Справді, у рамках цієї моделі зі співвідношень (22.10) і (22.16) випливає, що масштабний фактор зростає з часом повільніше, ніж розмір причинно зв'язаної області. А отже, якщо відстань між двома причинно зв'язаними областями у якийсь час і перевищує їх розміри (тобто ці дві області фізично не можуть обмінюватися інформацією і нічого не «знають» про існування одна одної), то через певний час обидві обов'язково опиняться у межах єдиної причинно зв'язаної області. Якщо дві відокремлені області були спочатку поза межами інформаційного зв'язку між собою, то вони можуть мати довільні значення фізичних характеристик (наприклад, густини і температури). Іншими словами, для причинно відокремлених областей простору не існує можливості завдяки будь-якому фізичному процесу усунути різницю між їхніми фізичними властивостями. Після того, як обидві опиняться у межах горизонту подій, ця різниця буде обов'язково зафіксована у спостереженнях. Але, як було сказано вище, вивчення, наприклад, реліктового випромінювання не підтверджує наявність помітної неоднорідності Всесвіту у великих масштабах. Таким чином, ця обставина ставить під сумнів здатність моделі Великого Вибуху накреслити бездоганну картину еволюції Всесвіту. На відміну від закону зростання масштабного фактора a(t) t1/2 на початковому етапі, або a(t) ∞ t2/3 на пізніших етапах еволюції, ця характеристика в інфляційній моделі зростає за експоненційним законом, тобто набагато швидше, ніж розмір причинно зв'язаної області. За проміжок часу, протягом якого відбувається інфляція, Всесвіт стає цілком однорідним, тобто будь-яка причинно зв'язана область у ньому має такі ж самі характеристики, як і безліч інших.

Інфляційна модель також природно поясняє відсутність у спостережуваній частині нашого Всесвіту надважких частинок, які мали б з'явитися, коли температура сягала 10 28—10 32 К. Якщо такі частинки народжувалися у той час, вони мали б бути розкидані космологічною інфляцією на фантастично великі відстані у просторі Всесвіту, тому вірогідність сьогодні знайти хоча б одну з них у нашій причинно-зв'язаній області практично дорівнює нулю.

У рамках інфляційної моделі також вирішена проблема сингулярності. Наш Всесвіт народився внаслідок квантового фазового переходу первинного поля φ. Стану сингулярності на початковому етапі розвитку Всесвіту не було. Хоча значення планківської густини ppl вражає своєю величиною, воно все ж таки скінченне.

Наприкінці інфляційного періоду, тобто через 10-35 с після народження Всесвіту, потенціал поля φ наближається до нульового значення V(φ)= 0, але поле, досягши такого значення потенціалу, починає робити загасаючі коливання поблизу нього подібно до маятника, виведеного з положення рівноваги, що не зупиняється раптово в найнижчій точці своєї траєкторії, а робить коливання доти, поки сила тертя не зупинить його рух. Щось подібне відбувається і з полем φ наприкінці інфляційного періоду. Коливаючись поблизу значення потенціалу V(φ) = 0, поле втрачає енергію. Енергія, що втрачається ним, йде на народження частинок, античастинок і випромінювання. Відбувається так званий вторинний розігрів Всесвіту. Як наслідок цього, наприкінці інфляційного періоду майже «пустий» Всесвіт наповнюється речовиною і випромінюванням, після чого його еволюція проходить в точності за тим сценарієм, що був докладно описаний у підрозділі 22.2.

Зарядову асиметрію Всевіту теж поясняють у рамках інфляційної моделі, виходячи з особливостей процесів, які відбуваються на стадії роздування. Кожен Х-бозон може розпадатися на кварки та антикварки, причому розпад цей проходить за двома схемами (двома каналами) і з різними ймовірностями. Наприклад, Х-бозон, що має електричний заряд +4/3, розпадається на два u-кварки (Х → qu + qu) або ж антикварк з зарядом +1/3 і позитрон е+ з електричним зарядом +1 (X → qd + e+). Так виникає певна перевага кварків над антикварками. А після їх об'єднання в протони і антипротони над античастинками незначно переважають частинки, що й дає змогу спостерігати сьогодні «залишок» у вигляді звичної для нас речовини.

Існування двох каналів розпаду Х-бозона на кварки або антикварк-позитрон фактично означає, що баріонний заряд не зберігається (це видно зі схем взаємних перетворень uu ← X → de+, що еквівалентне uu → de+, тобто uud → є+ + γ (uud — це протон). Як вже було сказано в підрозділі 22.2.4, період піврозпаду протона за цією схемою становить 1033років. Тому й прийнято говорити, що в далекому майбутньому наш Всесвіт може перетвориться у лептонну пустелю (див. с. 458).

Ще один важливий висновок сучасної космологічної моделі свідчить про те, що народження нашого Всесвіту не є винятковим явищем. Фазові переходи у первісному полі φ проходять безперервно, і це дає початок нескінченної кількості всесвітів, які, проте, не взаємодіють один з одним, а розвиваються незалежно. Кожен з них являє собою відокремлену просторово- часову систему «у собі», яка нічого «не знає» про існування інших систем. Різні всесвіти не мають принципової змоги обмінюватися ніякою інформацією між собою.

Так теорія інфляційного Всесвіту пояснює цілу низку раніше нез'ясованих проблем, хоча її розвиток почався лише у 80-х роках XX століття.

На закінчення упорядкуємо основні етапи еволюції нашого Всесвіту в такий спосіб (нижче в дужках, для кожного наступного етапу зазначена відповідна тривалість, відлічувана від кінця попереднього етапу):

— Планківська ера (тривалість близько 10-43 с): квантове народження Всесвіту і початок фазового переходу первісного поля φ в стан з меншою енергією.

— Стадія інфляції (10-35 с): перехід поля φ в стан з нульовим потенціалом і «роздування» простору первісного Всесвіту. Вирівнювання всіх неоднорідностей. Осциляції поля поблизу нульового значення потенціалу наприкінці інфляційної стадії і вторинний розігрів Всесвіту. Утворення матерії у формі частинок і античастинок.

— Адронна ера (10-6 с): домінуюча роль кварків і глюонов у первинній плазмі. Анігіляція кварків і антикварків наприкінці адронної ери й утворення баріонів і мезонів з надлишкових кварків. У цей період густина речовини ρ = 1014 г/см3 і температура Т ≈ 1012 К.

— Лептонна ера (3 с): домінуюча роль лептонів. Анігіляція електронів і позитронів наприкінці лептонної ери. При цьому температура зменшилася від 1012 К до 5-109 К, а густина — від 1014 г/см3 до 104 г/см3.

— Первинний нуклеосинтез (100 с): утворення ядер дейтерію, тритію, гелію і літію з протонів і нейтронів.

— Ера випромінювання (1013 с): домінуюча роль випромінювання. Об'єднання атомних ядер і електронів в атоми (рекомбінація) наприкінці цього періоду і «просвітління» Всесвіту. За цей час густина зменшилася від 1 г/см3 до 10-21 г/см3, а температура — від 109 К до 3000 К.

— Ера речовини, або післярекомбінаційна ера (приблизно 1018 с) розпочалася в момент рекомбінації і триває дотепер. Протягом цієї ери у Всесвіті домінує звичайна матерія. На певному її етапі розпочалося формування галактик і зір. Невдовзі, однак, як зазначено у Вступі, верх бере антигравітація як вияв особливостей вакууму, завдяки чому розширення Всесвіту є прискореним. З'ясування глибших таємниць розвитку Всесвіту можна очікувати в рамках теорії суперструн, тобто — у струнній космології.






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.