Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Т и I032 К.
На основе анализа различного рода космологических трудностей многие авторы приходят к предположению о том, что начало этой эпохи связано с фазой инфляционного расширения, в ходе которой «протопузырь» быстро увеличивается в размерах в Ю50 раз (Guth, 1983; Guth, Steinharelt, 1984; Linde, 1984). Мы ограничимся грубым приближением и рассмотрим простое фридмановское расширение, в среднем связанное с охлаждением по закону квадратного корня (2.19). Каким бы ни был временной ход эволюции во 2-ю эпоху, во многом неясную и таящую много неизвестного, мы исходим из того, что в конце эпохи температура падает по закону (2.19) до
Т и 1028 К.
Такая температура соответствует энергиям около 1024 эВ. «Высвобождаются» Х-бозо-ны. Вследствие этого происходит нарушение симметрии, приводящее к разделению сильного и электрослабого взаимодействий. Метагалактика вступает в более привычную нам фазу, легче поддающуюся теоретическому анализу. Относительно этой фазы в настоящее время Известно значительно больше (стандартная модель).
3-я эпоха (квази-фотонный газ):
10-32 с< t < 10~п с.
В начале 3-й эпохи протогаз состоит из кварков и антикварков, лептонов, фотонов и Х-бозонов. После распада Х-бозонов плотность кварков, хотя и на очень малую величину (около 10 ), превосходит плотность антикварков. Метагалактика ведет себя в дальнейшем (с термодинамической точки зрения) как обычный адиабатически расширяющийся газ. К описанию его применима стандартная модель адиабатического расширения, изложенная в основных чертах в работе Альфера, Хермана и Гамова (Alpher, Hermann, Gamov, 1948). Рассмотрим эти основные черты термодинамической модели.
Вследствие чрезвычайно высоких температур, достигающих к началу 3-й эпохи 10“ К, протогаз можно считать идеальным газом. Эффекты неидеальности пренебрежимо малы. Для адиабатического процесса в идеальном газе справедливо следующее соотношение между температурой и плотностью:
Т = const ¦ р7_|. (2.23)
Показатель адиабаты 7 - Ср/С„ принимает для атомарного (массивного) газа значение 7 = 5/3, а для релятивистского газа (с нулевой массой покоя) — значение
7 = 4/3 {Ландау, Лифшиц, 1988,1995). Так как на более поздней стадии развития Вселенной преобладают (и по числу, и по вкладу в плотность энергии) релятивистские частицы, в среднем выполняется релятивистское соотношение
Т = const - р1/3. (2.24)
Учитывая зависимость
p(t) ~ Д(0_3 ~ Г312, (2.25)
мы приходим к характерному закону квадратного корня
Т(*)~Г|/2.
Адиабатическое расширение устанавливает для эволюции Метагалактики симметричные по времени рамки. Временная симметрия нарушается, эволюция становится необратимой.
Нарушение симметрии
обратимость —> необратимость вводит в игру второе начало термодинамики. Оно играет роль основного физического закона эволюции.
Как было показано выше, Метагалактика на раннем этапе своего развития уже обладает стрелой времени, но еще не наделена пространственной структурой. С точностью до малых флуктуаций материя однородно заполняется имеющееся пространство. Температуры предельно высокие, и Вселенная, «переполненная» энергией, напоминает заряженную до отказа электрическую батарею или сжатую до отказа пружину. Вследствие адиабатического охлаждения температуры к концу
3-й эпохи понижаются до
Т и 1016 К я 1000 ГэВ.
Падение средней энергии частиц приводит к нарушению элекгрослабой симметрии, а именно: при средних энергиях ниже масс W - и ^“-бозонов эти частицы «высвобождаются». Происходит разделение слабого взаимодействия, с одной стороны, и электромагнитного взаимодействия — с другой. Это нарушение симметрии влечет за собой переход к новой эпохе эволюции.
4-я эпоха (аннигиляция кварков):
10-1|с <t< 10~6с.
В начале этой эпохи в протогазе преобладают кварки q и антикварки q. Существует шесть различных сортов кварков, в том числе «-кварки и d-кварки (Lanius, 1980; Fritsch, 1981). В результате усиливающегося адиабатического расширения протогаза температура к концу 4-й эпохи убывает до
Т я 1013 К « 1 ЙВ.
Тем самым протогаз оказывается в области, где резко возрастает вероятность попарной аннигиляции кварка и антикварка. Тепловое равновесие реакций аннигиляции
q + qz± 27,
q + qX^e + e
сильно смещено вправо. Такой вывод следует из закона действия масс
=ЛГ,(Г)~е*р {-“}
