Концепции Современного Естествознания (тема Будущее Вселенной)

Так наступила лептонная эра. После нескольких сложных взаимодействий античастиц с частицами, рождения аннигиляций и электронных пар наступило время, когда нейтронов и протонов осталось приблизительно поровну. Но при последующем снижении температуры нейтроны начали замедленно распадаться, превращаясь в электроны, протоны и антинейтрино.

Итак, содержание гелия на третьей минуте достигло современного значения 28 — 30% от общей массы вещества. Соотношение гелия и водорода в современной вселенной на сегодняшний день хорошо измерено и соотносится как 70:

30.

Первая стадия первичного ядерного синтеза непосредственно предшествует эпохе рекомбинации, когда температура среды снизилась настолько, что новорожденные ядра и свободные электроны начинают объединяться в нейтральные атомы. Взаимодействие излучения и вещества сначала ослабевает, а потом полностью завершается. Наступает эра отделения вещества от излучения.

Таким образом, при температуре около 1013 К, когда котел вселенной представлял собой кипящее месиво равноценных объемов античастиц и частиц (позитронов и электронов, антинейтронов и нейтронов, антипротонов и протонов), существовал некоторый баланс между числом реликтовых фотонов. Тем не менее, если бы количество тяжелых античастиц и частиц (барионов) было в точности одинаковым для каждого сорта, то в процессе расширения вселенной они бы все аннигилировали, превратившись в нейтрино и реликтовые фотоны, и во вселенной, помимо нейтрино и реликтового излучения, вообще бы ничего не осталось. Оказалось, что на каждый миллиард античастиц и частиц приходилась одна тяжелая частица, которая и породила затем весь асимметричный (вещественный) мир окружающей нас вселенной.

Следовательно, в ранней истории вселенной в момент действия теории Великого объединения нарушается барионный заряд. В таких ситуациях появляются сверхтяжелые хиггсовы и калибровочные частицы (Х-бозоны), которые и послужили основой формирования вещества во вселенной. Они зарождались в интервале 10−34 — 10−30 сек после начала расширения.

То есть наиболее важным обстоятельством ранней истории расширения вселенной являлся факт асимметрии между тяжелыми античастицами и частицами. При температуре 1013К темп всех процессов взаимодействия с Х-бозонами и их античастицами оказывается замедленнее, чем темп расширения вселенной. Данные частицы не успевают аннигилировать и их концентрация оказывается «замороженной». После зазамедленной аннигиляции последних наблюдается асимметрия в образовании большего числа частиц, чем античастиц… И, в конце концов, вещество начинает накапливаться и доминировать во вселенной.

Наблюдаемое на сегодняшний день разнообразие легких элементов и элементарных частиц хорошо согласуется со Стандартной моделью. Это обозначает, что известные нам физические законы являются одинаковыми во всей наблюдаемой части вселенной.

Как бы мы не смотрели на различные теории о несимметричности или симметричности вселенной (не существует или существует в ее бескрайних просторах антивещество, которое способно создать антимиры), мы имеем основание предполагать асимметричный характер вещества в ней и ее строения. Предсказания стандартной космологической модели относительно содержания легких элементов (дейтерия, водорода, лития и гелия) в современной вселенной хорошо согласуются с наблюдаемыми фактами.

Сценарий раздувающейся вселенной создавался на основании новых достижений физики высоких энергий. Существуют его различные вариации, но главная идея остается неизменна, и на сегодняшний день данной теории придерживается большинство космологов.

Отметим, что еще в двадцатые годы теорию расширяющейся вселенной на основании общей теории относительности создал российский теоретик А. А. Фридман. После появилась теория горячей вселенной, в соответствии с которой в некоторый изначальный момент времени t → 0 наш мир был создан из вещества в состоянии большой плотности и высокой температуры. Данная теория получила блестящее подтверждение после открытия в 1964 году американскими астрономами Р. Уильсоном и А. Пензиасом реликтового электромагнитного излучения, которое проникало к нам из самых различных направлений видимой области небосвода.

При массе внутри оболочки М, радиус которой R, плотность вещества d, скорость u, H — постоянная Хаббла, G — ньютоновская гравитационная постоянная, к — постоянная кривизны (+1, -1 или 0), получим:

v2/2 + GM/R = - k/2.

или, принимая зависимость Хаббла u= НR, обретем:

H2/2 + 4π/3Gd = - k/2R2.

Это и есть уравнение Фридмана, которое описывает модель Большого взрыва.

Тем не менее, в объеме расширяющегося пространства будет соблюдаться некоторый баланс энергии расширения оболочки и гравитационной потенциальной энергии оболочки.

Уравнение Фридмана связывает кинетическую энергию расширения с гравитационной потенциальной энергией произвольного сферического распределения вещества во вселенной. Сумма двух этих видов энергии должна быть неизменна во времени.

Увеличение кинетической энергии в расширяющейся оболочке может происходить только за счет гравитационной (по аналогии с летящим вверх камнем или падающим на землю: при достижении такого положения, когда камень зависнет в верхней точке, кинетическая энергия равняется нулю, а потенциальная — максимальна).

Из данного уравнения, при k = 0, кинетическая энергия Н2/2 уравновешивается гравитационной (потенциальной) энергией -4p/3Gd, соответственно, вселенная в этом положении не расширяется. При k = 1, вселенная расширяется, а при k = -1, вселенная испытывает сжатие.

Но хронология ранних стадий развития вселенной может быть намечена только приблизительно. О сингулярной стадии существования вселенной мы практически ничего не знаем. Можем только догадываться, что это время — предыстория Большого взрыва, который произошел по каким-то причинам, когда сингулярность была нарушена и развитие вселенной пошло по рассматриваемому сценарию.

Примерно 13,7 миллиардов лет тому назад вселенная совершенно была не похожа на современную ни по составу, ни по физическому состоянию. Пространство было заполнено плазмой, которая состояла из разных фотонов и элементарных частиц. При этом на определенном этапе развития излучение резко преобладало.

Заключение

.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Стандартная модель — это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, которые начинаются с вопроса «почему»: почему частиц именно столько и они именно такие? откуда появились именно эти взаимодействия и именно с такими характеристиками? зачем природе нужно было создавать три поколения фермионов? почему численные значения показателей именно такие? Помимо этого, Стандартная модель не может описать некоторые явления, которые наблюдаются в природе. В частности, в ней нет места частицам темной материи и массам нейтрино. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с данной теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится важной.

Если же использовать Стандартную теорию по своему назначению, для предсказания итогов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с различной степенью точности, а именно:

Для электромагнитных явлений (энергетические уровни, рассеяние электронов) точность может достигать миллионных долей и даже более. Рекорд здесь держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью более одной миллиардной.

Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью до процента.

Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета этих процессов варьируется: в одних ситуациях она может достигать процентов, в других случаях различные теоретические подходы могут давать ответы, которые отличны в несколько раз.

Список использованных источников

.

Иванов Б. П. Физическая модель Вселенной. — Спб: Политиехника, 2000.

Каку М.

Введение

в теорию суперструн. — М.: Мир, 2009.

Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. — М.: Мир, 2010.

Иванов Б. П. Физическая модель Вселенной.

Спб:Политиехника, 2000.

Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. — М.: Мир, 2010.

Каку М.

Введение

в теорию суперструн. — М.: Мир, 2009.