Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
Ситтера. Высокая симметрия этого пространства, о которой шла речь в § 2
гл. 5, позволяет однозначно установить тензорную структуру различных
геометрических величин. В частности,
ЯаРтб = Я2 (ёауёр>6~§абё&у)г (7.8)
ЯаР = ЗЯ2?аР,
и, наконец,
АГар = const Я4?а6. (7.9)
Если теперь мы учтем квантовые поправки в уравнениях ОТО, т. е. добавим в
правую часть уравнений (7.5) дополнительное слагаемое (7.7), то придем к
очень интересному выводу: помимо тривиального решения, отвечающего
плоскому
2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ВАКУУМА В ОТО
125.
пространству (т. е. 7?MVap=0), в модифицированных уравнениях появятся
решения с /?м"ар?=0. Иными словами, даже в отсутствие материи, реальных
частиц, пространство может быть искривленным, расширяющимся. Существует
самосогласованный режим, когда кривизна пространства-времени создает
поляризацию вакуума, которая в свою очередь вызывает искривление
пространства.
Проиллюстрируем эти рассуждения примером пространства де Ситтера.
Уравнение (7.5) без материи, но с поправкой (7.9) имеет вид
H-g^^AH'g^mj2. (7.10)
Важно отметить, что гипотеза о форме метрики оказалась самосогласованной:
мы нашли поправки в Т"v в метрике де Ситтера, подставили их в уравнения
ОТО и обнаружили, что решения этих уравнений приводят опять к метрике де
Ситтера. Легко видно, что уравнение (7.10) помимо тривиального решения
Н=0 имеет ненулевое решение Н=тР\А^х>2. Легко сообразить, что А
пропорционально числу сортов элементарных частиц, дающих вклад в
поляризацию вакуума.
Таким образом, мы пришли к модели, в которой экспоненциальное расширение
обусловлено квантовыми поправками к тензору энергии - импульса. На
возможность такого режима обратили внимание Гурович и Старобинский
(1979). Впоследствии Старобинским (1980) на этом основании была развита
инфляционная модель, целиком основанная на эффектах поляризации вакуума.
Можно проверить, что уравнения (7.5) с правой частью (7.7) действительно
имеют (среди множества других) деситтеровское решение. Это решение
является неустойчивым, и малые отклонения от него со временем нарастают,
что приводит к переходу от экспоненциального режима к фридма-иовскому.
Скорость роста этих возмущений зависит от упомянутого выше числа типов
элементарных частиц N. Если N достаточно велико (М"103), то
продолжительность такой квантовой инфляции оказывается достаточной для
решения проблем плоскостности, горизонта и пр. Недавно, однако, удалось
показать, что обсуждаемый механизм может работать и не при столь
гигантских N, если учесть вклад в дополнительных слагаемых, опущенных в
первоначальном варианте.
126
8. БАРИОСИНТЕЗ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Глава 8.
БАРИОСИНТЕЗ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Астрономические наблюдения показв1вают, что во Вселенной практически
отсутствует антивещество (т. е. антипротоны, антинейтроны, позитроны).
Mbi уверенно можем говоритв, что наша Галактика целиком состоит из
вещества, так как в противном случае аннигиляция вещества и антивещества,
сопровождающаяся колоссалвным выделением энергии, несомненно, была 6bi
замечена. Аналогично можно сделатв вв1вод, что любая из наблюдаемых
галактик состоит из вещества одного типа (т. е. либо только из вещества,
либо только из антивещества). Кроме того, известны сталкивающиеся
галактики, галактики, омываемые облаком межгалактического газа, и во всех
этих случаях никакого всплеска аннигиляции не обнаружено. Эти •факты
ставят перед нами проблему зарядовой асимметрии Вселенной. Иногда ее
называют барионной асимметрией, имея в виду, что во Вселенной
присутствуют барионы (т. е. протоны, нейтроны) и отсутствуют антибарионы.
Разумеется, мы видим небольшое количество антипротонов в космических
лучах, но их доля мала, порядка 10~4 от протонов. Интересно отметить, что
количество реликтовых нейтрино и антинейтрино во Вселенной должно быть
почти одинаковым, так что явление значительной зарядовой асимметрии в
современную эпоху имеет место для достаточно сильно взаимодействующих
частиц.
Явление барионной асимметрии в горячей Вселенной кажется особенно
загадочным еще и потому, что количество протонов весьма мало по сравнению
с количеством реликтовых фотонов:
Nb/N,= 10-9-10-10. (8.1)
Это значит, что на горячей стадии при температуре kT~>mpc' в первичной
термодинамически равновесной плазме существовало примерно равное
количество р и р:
(Np-N-)/Np= 10-9-10-10.
Точнее, при таких температурах мы должны говорить уж( о кварках и
антикварках, но факт не меняется: на ранней ста дии должен существовать
ничтожно малый избыток кваркш над антикварками. Весь наш теперешний мир
обязан своим су ществованием этому микроскопическому преобладанию части
над античастицами.
Еще 15-20 лет назад происхождение этой небольшой вна чале и практически
полной сейчас асимметрии казалось чрез вычайно загадочным и
рассматривалось как начальное уело вие, не определяемое законами физики.
В частности, рассмат ривались модели с холодным вначале веществом,
целиком сос
I. НЕСОХРАНЕНИЕ БАРИОНОВ. РАСПАД ПРОТОНА
