Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Пещ Г Адг\
Здесь в левой части каждого равенства стоят соответствующие плотности частиц, а в правой — свободные энтальпии реакций, составляющие величины порядка
Afli « — Ю ГэВ.
В реакциях аннигиляции кварков энергия связи произвольно полагается равной величине порядка 1012 эВ. Аннигиляция термодинамически выгодна, и почти все кварки находятся в связанных состояниях, соответствующих более глубоко лежащим значениям потенциала Гиббса. Мы уже упоминали о том, что в протогазе имеется небольшой (составляющий примерно одну миллионную долю процента) избыток кварков по сравнению с антикварками. После аннигиляции остаются практически только кварки, а антикварки исчезают. Симметрия между материей и антиматерией нарушается.
Нарушение симметрии
материя—антиматерия —> преобладание материи
приводит к весьма глубоким последствиям для структуры нашей современной Вселенной, в которой античастицы встречаются лишь чрезвычайно редко. Именно оно подготавливает почву для перехода к следующей эпохе, в которой образуются протоны и нейтроны.
5-я эпоха (образование нуклонов):
10~6 с < t < 10_3 с.
На основе притягивающих хромодинамических взаимодействий три кварка могут образовывать связанные состояния; эти связанные состояния соответствуют хорошо известным нуклонам. Один «-кварк и два d-кварка образуют нейтрон:
и + 2d п,
а два u-кварка и один d-кварк — протон:
2и + d p.
Так как энтальпия реакции этого процесса составляет около 100 МэВ, равновесие в ходе 5-й эпохи сдвигается далеко вправо. Свободные кварки исчезают из Метагалактики. К концу 5-й эпохи Метагалактика состоит из нуклонов с плотностью около
п„ и 1027 см-3.
Помимо нуклонов во Вселенной имеются электроны, позитроны, фотоны и нейтрино с существенно более высокими плотностями. Суммарная плотность составляет величину около 1036 частиц на см3, и плотность энергии определяется фотонами и в меньшей степени лептонами.
В ходе 5-й эпохи отчетливо проявляется нарушение симметрии относительно барионов. Барионы составляют в Метагалактике абсолютное большинство частиц по сравнению с антибарионами, которые практически не встречаются в естественных условиях.
6-я эпоха (появление свободных нейтрино):
10~3 с < t < 1 с.
На протяжении этой эпохи структура Метагалактики изменяется несущественно, но плотность и температура продолжают падать. К концу эпохи температура понижается до
Т я Ю10 К и 1 МэВ.
Плотность массы этой горячей плазмы составляет примерно величину
р и 108 г • см 3.
Средняя плотность материи убывает в Метагалактике как куб расстояния. Современная Метагалактика состоит из относительно однородного фотонного газа с плотностью около 500 фотонов на см3, что, по существу, соответствует реликтовому излучению, а также нейтринному газу с плотностью около 300 нейтрино и 300 антинейтрино на см3. Впрочем, существование такого нейтринного газа пока экспериментально не подтверждено. О средней плотности материи с ненулевой массой покоя мы, к сожалению, располагаем лишь весьма неполной информацией. Если бы вся имеющаяся в виде вещества материя была распределена равномерно, то в нулевом приближении это соответствовало бы газу со средней плотностью около 1 атомного ядра на м3, причем 70% приходилось бы на протоны, а 30% — на ядра гелия с небольшой примесью ядер других элементов. Отношение между плотностью фотонов и ядер атомов составляет около 5 • 109; оно почти не изменилось с эпохи горячей протоплазмы (Новиков, 1979; Зельдович, 1983; Зельдович, Новиков, 1967,1975).
Исходя из приведенных выше соображений, мы находим следующие законы эволюции для средних плотностей фотонов, нуклонов и нейтрино в Метагалактике:
^(0«500cm-3[^] ,
(2-27)
МО «300 см-3 .
Здесь *i — эталонное время, R(t\) — эталонное расстояние; настоящее время соответствует выбору fi и Ю20.
Закон расширения Хаббла R(t)/R(t\) = Ht выполняется только для ближайшего прошлого, т. е. лишь при (t — tt) «С Н~1, а при малых временах t <С Н~1 мы, решая уравнения Эйнштейна (см. разд. 2.1), приходим к закону расширения
R(t) = const - f1/2.
В дальнейшем мы будем рассматривать функцию расширения R(t) как заданную монотонно возрастающую функцию. Исходя из такого предположения, мы исследуем термодинамику эволюции нашей газовой модели Метагалактики. Поскольку средние плотности малы, мы можем, как и выше, воспользоваться в первом приближении законами идеального квантового газа (Ландау, Лифишц, 1995).
Для адиабатического расширения атомарного газа имеет место инвариант
