Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
в настоящее время, т. е. при
ti и 20 • 109 лет.
Все решения (2.11)—(2.13) содержат при t — 0 космологическую сингулярность (R = 0).
Предположение о нулевом давлении р — 0 дает в настоящее время хорошее приближение, но утрачивает силу в окрестности сингулярности. В случае ультраре-лятивистского газа с уравнением состояния (вселенная, заполненная излучением)
p=jpc2 (2.14)
мы получаем следующее решение уравнений (2.8)-(2.9):
R2(t) = 2q\/2R2lHlt-(ql-l)i2RfH?, (2.15)
(щ)‘ <216>
В дальнейшем мы покажем, что предположение о вселенной, заполненной излучением, при малых временах после начала расширения является очень хорошим приближением, поэтому на начальной стадии расширения можно принять закон квадратного корня
R(t)~Vt, (2.17)
p(t)~t~2. (2.18)
Как показывает это решение, плотность вселенной вскоре после начала расширения должна быть необычайно высокой. По законам термодинамики мы можем ожидать вместе с Альфером, Херманом и Гамовым (Alpher, Hermann, Gamov, 1948), что вскоре после Большого Взрыва во вселенной царят очень высокие температуры. Из этой идеи возникла модель «горячего взрыва». Оценим закон, по которому изменяется температура.
Кинетическая энергия релятивистских частиц (фотонов) в расширяющейся вселенной падает как
Е = р ~ iT1 ~ Г|/2.
Следовательно, температура как средняя кинетическая энергия также убывает по закону квадратного корня:
T(t) = ct~'/2.
Так как температура фотонов фонового излучения ныне, т. е. спустя t = Ю20с после начала расширения, составляет около 3 К, мы ожидаем, что
с«101ОКс|/2.
Температура нерелятивистских частиц падала бы по закону
Поскольку число фотонов в Метагалактике примерно в 109 раз больше числа массивных частиц, на начальных фазах развития Вселенной температура спадает по единому закону
Г(<)й-^Ю|0К'С1/2. (2.19)
Более точный вывод этого важного соотношения исходит из плотности энергии релятивистской материи (Dolgov, Zeldovich, 1981):
pB=32^Gfi' (2'20)
Связь с температурой получается, если предположить, что выполняется закон Стефана—Больцмана:
з
Рв = -iVcT.cB.T4, (2.21)
где iV'cT.c. — число эффективных степеней свободы. Для фотонов iVcrx». = 2. Приравнивая соотношения (2.20) и (2.21), получаем
™ = («^ЬдУ‘г'п- <222>
В рамках классической общерелятивистской космологии вопрос о геометрическом типе вселенной остается открытым. Предпочтение одному из трех возможных случаев
& = 1,& = 0и& = —1 может быть отдано только на основании экспериментальных
данных. Замкнута ли вселенная или открыта, плоска или искривлена, зависит
от средней плотности массы во вселенной. Известное в настоящее время значение р ~ 10-29 г • см-3 расположено относительно близко к критическому значению
Ркрит = (0,5 — 2) - Ю'29 г • см-3.
Многие исследования предполагают существование скрытых масс, приводящих к за-критической плотности и тем самым склоняющих чашу весов в пользу замкнутой модели мира. При определенных условиях за скрытые массы могут отвечать гипотетические массы покоя нейтрино. В рамках квантовотеоретической космологической модели явное предпочтение отдается замкнутой вселенной (Фомин, 1986).
2.2. Многократное нарушение симметрии и возникновение элементов
Расширение Метагалактики оставляет для эволюции широкие рамки, которые подлежат заполнению. Следуя различным авторам, мы делим весь процесс на 12 эпох (Fritsch, 1983; Wilczek, 1983; Linde, 1984; Ebert, 1984; Feistel, Ebeling, 1989). Возникновение химических элементов охватывает первые восемь эпох:
1-я эпоха (физический вакуум):
t < <Pla„ck =г Ю“43 с.
Относительно этой самой ранней эпохи после начала расширения по существу ничего не известно, кроме более или менее смелых измышлений. По-видимому, ни пространство, ни время не имели ни сколько-нибудь определенного смысла, ни размерности. Вселенная находилась в состоянии с высокой симметрией.
2-я эпоха (выход из вакуума):
КГ43 с < t < 10-33 с.
В начале этой эпохи Вселенная распадается на различные области {Linde, 1984). Одна из таких областей имеет пространственно-временную размерность d = 4 и обладает симметрией 517(3) х 517(2) х 17(1). Наша Метагалактика рождается в результате первого нарушения симметрии. Вся Метагалактика заполнена однородной газообразной смесью праматерии: кварков; электронов, нейтрино, фотонов, глюонов, Х-бозонов. Как показывает оценка (2.19), такой газ праматерии в начале эпохи обладает чрезвычайно высокой температурой:
