горячей вселенной теория

ГОРЯЧЕЙ ВСЕЛЕННОЙ ТЕОРИЯ - современная теория физ. процессов в расширяющейся Вселенной, согласно к-рой в прошлом Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность вещества и очень высокую темп-ру. Первоначально Г. В. т. была предложена Г. Гамовым (G. Gamov, 1948) для объяснения распространённости в природе различных хим. элементов и их изотопов. В те годы существовала заниженная оценка времени, прошедшего с начала расширения Вселенной (неск. миллиардов лет). Согласно выдвинутой Гамовым гипотезе, практически все элементы возникли в ядерных реакциях в самом начале расширения Вселенной при большой темп-ре, а последующий синтез элементов в звёздах за неск. миллиардов лет не успел существенно повлиять на распространённость элементов.

В работах 50-х гг. 20 в., выполненных T. Хаяси (T. Hayashi), Э. Ферми (E. Fermi) и А. Туркевичем (A. Turkevich), было показано, что попытки объяснить существующую распространённость всех элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной были несостоятельными. Если строго следовать Г. В. т., то в результате ядерных реакций в начале расширения образуется только водород и гелий, примесь др. лёгких элементов незначительна, а тяжёлые элементы практически совсем не образуются. Однако с открытием, что время расширения Вселенной превышает 10 млрд. лет, стало возможным объяснить распространённость тяжёлых элементов их нуклеосинтезом в звёздах.

В начале расширения Вселенной при большой темп-ре в термодинамич. равновесии с веществом должно было находиться эл--магн. излучение. В ходе расширения вещество и излучение остывают, и к настоящему времени во Вселенной должно существовать низкотемпературное излучение (его наз. микроволновым фоновым излучением или реликтовым излучением), для к-рого вещество сегодняшней Вселенной практически прозрачно. Существование во Вселенной такого излучения, имеющего темп-ру всего неск. Кельвинов, было предсказано Г. Гамовым (1956).

В 1964 А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков впервые рассчитали широкий спектр плотности эл--магн. излучения от всех источников в эволюционирующей Вселенной (включая радиогалактики и звёзды) и показали, что в области сантиметровых и миллиметровых волн интенсивность реликтового излучения с темп-рой ок. 1 К и выше будет на много порядков превосходить излучение отдельных источников, и оно может быть обнаружено. Реликтовое излучение (РИ) было открыто А. Пензиасом (A. Penzias) и P. Вильсоном (R. Wilson) в 1965 на длине волны 7,3см. Обнаружение РИ стало решающим тестом, подтвердившим справедливость гипотезы о высокой изначальной темп-ре Вселенной. Тщательные последующие наблюдения показали, что РИ действительно является равновесным, как предсказывает теория, и имеет темп-ру 2,7 К. Совр. количество фотонов РИ в ед. объёма =500 см^-3, а тяжёлых частиц (барионов ,гл. обр. протонов) N_b примерно 10^-6 см^-3. Отношение s = 10⁹ почти не меняется с расширением Вселенной и характеризует уд. энтропию Вселенной, к-рая оказывается весьма большой. Плотность массы реликтового излучения сегодня 5*10^-34 г/см³ (10^-1 эрг - ср. энергия одного фотона) много меньше плотности массы обычного в-ва 10^-30 г/см³ (m_b10^-24 г - масса протона): 5-10^-4. В прошлом РИ преобладало над веществом не только по числу частиц, но и по массе. Действительно, с расширением Вселенной энергия каждого кванта убывает пропорционально его частоте из-за красного смещения, т. е. пропорционально увеличению пространств. масштабов. Отсюда следует, что в прошлом при плотности вещества 10^-20 г/см³ плотность излучения равнялась плотности вещества (10^-20 г/см³), а частота излучения соответствовала диапазону видимого света. Для более раннего периода . Поэтому при анализе динамики расширения Вселенной в ранние эпохи можно пренебречь "примесью" обычного вещества, входящего в наше время в состав галактик, звёзд, планет.

Закон падения темп-ры во Вселенной для ранней эпохи её расширения (в пределах неск. лет или сотен лет после начала расширения) записывается в виде . Здесь время t (в секундах) отсчитывается от того момента, когда плотность материи равна (формально) бесконечности (т.н. сингулярное состояние). Физ. процессы при Т>10¹³ К и плотностях >10¹⁸ г/см³ ещё недостаточно хорошо изучены совр. физикой и выводы о процессах в этих условиях не могут считаться надёжными. Однако процессы при Т<10¹³ К можно рассматривать с полной уверенностью.

При очень больших плотностях и темп-pax все процессы взаимодействия частиц происходят чрезвычайно быстро, гораздо быстрее изменения физ. условий вследствие расширения Вселенной, и поэтому имеется полное термодинамич. равновесие между всеми сортами частиц (и их античастиц), к-рые могут рождаться при энергиях, соответствующих данной темп-ре.

При T10¹³ К в равновесии находятся барионы и антибарионы, разные сорта мезонов и их античастиц, мюоны электроны и их античастицы, все сорта нейтрино и антинейтрино, фотоны.

Быстрые превращения одних частиц в другие поддерживают равновесие, количество частиц разных сортов примерно одинаково. С уменьшением темп-ры при расширении у взаимодействующих частиц уже не хватает энергии для рождения новых тяжёлых частиц, и эти частицы, сталкиваясь со своими античастицами, аннигилируют ("вымирают"). При t10^-6 с начинают вымирать барионы, затем мезоны и мюоны. После вымирания барионов и антибарионов остаётся небольшое количество барионов (~10^-9 от исходного числа), т. к. с самого начала, согласно теории, их было несколько больше, чем антибарионов. Из этих барионов и образовались позднее все небесные тела. Иная судьба у частиц с нулевой (или очень малой) массой покоя. Такими частицами являются все сорта нейтрино и антинейтрино. При охлаждении и уменьшении скоростей реакций наступает момент, когда реакции с соответствующими частицами перестают протекать и частицы становятся свободными, т. е. Вселенная для них оказывается практически прозрачной. Так, при t 0,01 с свободными становятся мюонные нейтрино , при t0,3 с - электронные нейтрино . Важно подчеркнуть, что и после освобождения частицы продолжают "остывать", уменьшать свою энергию вследствие расширения Вселенной. Это происходит потому, что свободно летящая частица переходит из одного объёма вещества в другой, удаляющейся от первого. Поэтому частица имеет относительно второго объёма меньшую энергию, чем была её энергия относительно первого объёма, и т. д. При t10 с вымирают электронно-позитронные пары (они превращаются в фотоны). После этого во Вселенной остаются нейтрино и антинейтрино всех сортов, фотоны и небольшая примесь обычного вещества (одна миллиардная доля по числу частиц) в виде плазмы (смеси барионов и электронов).

К сегодняшнему моменту реликтовые фотоны остыли и имеют, согласно наблюдениям, темп-ру T2,7 К. Помимо реликтовых фотонов сегодня должны существовать реликтовые нейтрино с темп-рой несколько ниже, чем у фотонов (T2 K). Более высокая темп-pa фотонов по сравнению с нейтрино объясняется тем, что пары , превратившись в фотоны, добавили свою энергию к энергии фотонов. Прямое наблюдение реликтовых нейтрино пока невозможно.

Для дальнейшей эволюции Вселенной важны физ. процессы, протекающие в веществе, из к-рого впоследствии образуются галактики, звёзды, планеты. При T2*10¹⁰ К барионы существуют в виде протонов р и нейтронов п. Эти частицы быстро превращаются друг в друга под влиянием окружающих энергичных частиц

и устанавливается термодинамич. равновесие между количеством нейтронов и протонов. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ед. объёма в равновесии

где - разность масс нейтрона и протона. При t порядка неск. секунд реакции (*) практически прекращаются, и отношение числа нейтронов к общему числу барионов (N_p+N_n) в ед. объёма "застывает" на значении N_n(N_p+N_n)0,15. С дальнейшим понижением T, через неск. минут после начала расширения, начинают интенсивно протекать ядерные реакции объединения нейтронов и протонов, заканчивающиеся образованием ⁴He. Синтез более тяжёлых элементов не происходит, т.к. ядро ⁴He не присоединяет к себе нейтроны и др. имеющиеся частицы. В результате почти все нейтроны войдут в состав ядер ⁴He, что даст относительно содержание ⁴He по массе ок. 25% от массы всего вещества. Оставшиеся протоны составляют по массе ок. 75%. Примесь др. элементов пренебрежимо мала. Вещество с таким составом позже образует небесные тела, в частности звёзды первого поколения (см. Эволюция звезд).

После первых пяти минут все ядерные реакции во Вселенной прекращаются. Вещество продолжает расширяться и остывать. В эту эпоху длина свободного пробега фотонов очень мала, т. к. плазма для них непрозрачна. Давление РИ препятствует образованию к--л. изолированных объектов под действием сил тяготения.

Спустя примерно 300 тыс. лет плазма остывает до T4000 К, электроны объединяются с протонами и плазма превращается в нейтральный газ. Этот газ прозрачен для реликтовых фотонов, давление РИ не влияет на состояние газа. С этого момента под действием гравитац. сил в веществе начинается рост отдельных уплотнений (см. Гравитационная неустойчивость ),из к-рых затем образуются небесные тела - формируется структура Вселенной (см. Космология, Крупномасштабная структура Вселенной).

Совр. теория предполагает, что наряду с открытыми частицами в формировании структуры Вселенной мог участвовать и ряд гипотетических пока частиц. Они, вероятно, сегодня также должны присутствовать во Вселенной как и реликтовые фотоны и нейтрино. Прямое обнаружение таких частиц пока невозможно, т. к. они крайне слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут проявлять себя только через тяготение (см. Скрытая масса).

Важные, пока ещё не совсем ясные процессы протекали вблизи сингулярного состояния материи в самом начале расширения (при плотностях, близких к т. н. планковской плотности ~10⁹⁴ г/см³). Здесь при очень больших энергиях частиц объединялись, по-видимому, все виды физических взаимодействий (см. Великое объединение ),квантовые процессы были существенны в масштабах всей Вселенной. В ходе расширения могли происходить фазовые превращения материи, связанные с расщеплением единого взаимодействия на отдельные составляющие (см. Раздувающаяся Вселенная). T. о., в Г. В. т. есть ещё много нерешённых проблем, гл. обр. относящихся к начальным стадиям расширения и к образованию небесных тел. Тем не менее, осн. положения теории, описанные выше, надёжно установлены и подтверждены наблюдениями.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975; Пиблс П., Физическая космология, пер. с англ., M., 1975; Вейнберг С., Гравитация и космология, пер. с англ., M., 1975; его же, За рубежом первых трех минут, "УФН", 1981, т. 134, с. 333

И. Д. Новиков.

   <<      Предметный указатель      >>