Рождение Вселенной

ПЕРВАЯ  СЕКУНДА ВСЕЛЕННОЙ   

 Этот реферат повествует  об истории развития Вселенной  с самых первых моментов ее  существования. Для начала стоит  определиться с временными масштабами,о которых пойдет речь. 
    На Рис.1 изображена схема ветвления частиц и сил по мере удаления от момента большого взрыва. Эта схема обобщает все этапы, о которых пойдет речь ниже.   

 Стоит отметить, что  шкала времени измеряется в  секундах. Казалось бы – не  самый подходящий масштаб для  описания истории Вселенной. Однако, это не так, ведь большинство  описываемых событий произойдут именно в первую секунду. Как видно из рисунка, возраст Вселенной порядка 10¹⁷с, тем не менее, ученые могут довольно уверенно сказать, что произошло вплоть до 10^-15с от момента

Большого Взрыва и  имеют достаточно правдоподобные теории вплоть до 10^-43с – наименьшего временного отрезка согласно современным теориям. Таким образом, масштаб, равный одной секунде, ближе к времени жизни Вселенной, нежели к наименьшему промежутку времени.

 
Рис.1 Схема ветвления частиц и сил по мере удаления от момента большого взрыва

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ   

 Стоит помнить две  вещи о рождении Вселенной:  начальное состояние было сильно  конденсированным и горячим, впоследствии  же Вселенная расширялась и охлаждалась; материя может быть создана из энергии в соответствии с уравнением Эйнштейна. Пусть эти два момента помогут нам объяснить Большой Взрыв.

Расширение  и охлаждение   

 Когда вы сжимаете  газ, он нагревается. Ведь та  же самая энергия должна содержаться  в меньшем объеме, поэтому тепловое  движение становится интенсивнее. 
    Однако, если сжать газ достаточно сильно, то больше сжать его не получится – потребуется больше энергии, чем вы сможете обеспечить. С Вселенной же такие ограничения не срабатывают – если включить обратную перемотку, то она будет сжиматься до размеров галактики, звезды, планеты, футбольного поля, атома, протона… И так будет продолжаться до т.н. Планковской длины 10^-33см, что на 18 порядков меньше размеров протона. Это наименьшая единица пространства, при длинах меньше известные законы физики не работают. Мы не знаем, что было, когда Вселенная была меньше и была ли она когда-нибудь вообще меньше. ОТО предполагает, что Вселенная может сжаться до точки нулевого размера и бесконечной плотности, называемой сингулярностью. Но это, вероятно, означает, что в таких экстремальных условиях ОТО так же не будет работать. Есть основания полагать, что планковская длина – это действительно наименьшая возможная длина. 
    Когда Вселенная сжалась до размеров 10^-33см,ее температура была порядка 10³²К. К счастью для нас, она не осталась горячей и плотной, а начала расширяться и охлаждаться.

Рождение и  уничтожение   

 Поскольку мы состоим  из вещества, мы и мыслим теми  же категориями. Однако, вещество  занимаем очень малую часть  пространства – большая же  его часть пуста. В среднем на один квадратный метр приходится один атом. Но все это пространство заполнено фотонами – редкими высокоэнергичными от космического газа и звезд и ордами низкоэнергичных, оставшихся со времен рождения Вселенной. На каждый протон, нейтрон или электрон приходятся миллионы фотонов – следствие того, что в ранней Вселенной доминировал свет, а не вещество. 
    Сегодня температура реликтового излучения достаточно низкая – 2.7К. Что же такое температура излучения? Это легко объяснить, если представить себе абсолютно черное тело, которое имеет тот же спектр. В нашем случае это АЧТ с температурой 2.7К. Нынешний фон настолько слаб, что почти незаметен. Но так было не всегда – во времена Большого Взрыва эти фотоны были настолько мощны, что создавали вещество. Два энергичных фотона сталкивались, аннигилировали, и рождались частица и античастица, например электрон и позитрон. 
    Отсюда видно, что вещество и антивещество рождались в равных пропорциях. Ранняя Вселенная представляла из себя суп из частиц, античастиц и фотонов, кроме того, в ней было примерное равенство между частицами (и античастицами) и фотонами. 
    Т.к. чем больше массы надо произвести, тем больше нужно энергии, то, чем дальше мы погружаемся в прошлое, тем более тяжелые частицы можем увидеть. Например Х-бозонов теорий Великого объединения, или, может быть, тяжелых суперпартнеров суперсимметричных теорий.

РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

Планковская эра: от нуля до 10^-43с   

 В начале… мы  точно не знаем, что произошло.  Есть теории, объясняющие, что происходило до 10^-43с – планковского времени. Это, безусловно, слишком короткий отрезок времени, чтобы называться эрой. Действительно, мы даже не знаем, имеет ли смысл говорить о временных промежутках, меньших планкосвкого времени. 
    Единственное, что мы можем с уверенностью сказать, к концу планковской эры – планковскому моменту, гравитационное взаимодействие отделилось от остальных трех взаимодействий, которые были в т.н. группе Великого объединения. Чтобы описать, что происходило раньше (если можно использовать слово «раньше»), нам нужна квантовая теория гравитации. Возможно, SUSY-теории или теории струн как раз то, что мы ищем, но они пока не получили экспериментального подтверждения. Пока оставим планковскую эру как маленький, но значительный пробел, который необходимо заполнить.

Характеристики:     T = 10³²К.

Эра Великого объединения: 10^-43с – 10^-35с   

 По сравнению с планковской эрой туман неизвестности потихоньку рассеивается. Между 10^-43с и 10^-35с во Вселенной действовали 2 силы – гравитация и сила Великого объединения. Поэтому это время и называется эрой Великого объединения. Мы не можем сказать точно, какие из теорий верны, поэтому название немного вводит в заблуждение, но мы можем сказать, что либо сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие были единым целом, либо теории Великого объединения не верны. 
    В то время Вселенная была очень горячей, хотя и остывала с 10³²К до 10²⁹К. Пространство было заполнено газом из гравитонов и GUT-бозонов и не было никакого различия между лептонами и кварками. Частицы должны были представлять из себя какие-то гибриды.

Характеристики: t = 10^-43-10^-35c; T = 10³²-10²⁹K; E = 10¹⁹-10¹⁶ ГэВ.

Инфляция: 10^-35 - 10^-32с   

 Когда с момента  Большого Взрыва прошло 10^-35с, Вселенная остыла до 10²⁹К. В этот момент произошло отделение сильного взаимодействия от электрослабого. Это нарушение симметрии, вероятно, происходило в разных частях Вселенной по-разному и с разными силами. Возможно Вселенная разделилась на части, которые были отделены друг от друга стенками – дефектами пространства-времени. Там могли быть и другие дефекты, например космические струны или магнитные монополи. Но сейчас мы всего этого не видим из-за другого результата разделения GUT-силы – Инфляции. 
    Когда силы разделились, по крайней мере в некоторых (в том числе и во всех видимых нам) частях Вселенной возник ложный вакуум. Энергия застряла на высоком уровне, заставляя пространство удваиваться каждые 10^-34с. Т.о. произошло около 100 удвоений – это огромное количество. Вселенная от квантовых масштабов перешла к размерам апельсина. 
    Одна из причин, почему мы так мало знаем о Вселенной до инфляции, заключается в том, что инфляция очень сильно ее изменила или, как минимум, ту часть, в которой мы живем. Даже если монополи или гибриды бы существовали в нашем регионе до инфляции, то после нее они поредели бы настолько, что обнаружить их было бы практически невозможно.

Адронная эра: 10^-32 – 10^-4с

Рождение вещества: 10^-32 – 10^-10с   

 Когда Вселенная  расширялась в результате инфляции, она быстро остывала. Когда инфляция закончилась, энергия ложного вакуума, которая была движущей силой, стала выделяться и конденсироваться в новые частицы и античастицы. Т.к. сильное и электрослабое взаимодействия разделились, появилось два различных семейства частиц – кварки, которые чувствовали сильное взаимодействие, и лептоны, которые нет. 
    Но новые частицы не взаимодействовали так, как сейчас. Электрослабое взаимодействие все еще было единым целым, поэтому было мало различий между ароматами частиц – u и d, s и c, b и t кварки были более-менее взаимозаменяемы, как и электроны и нейтрино в каждом из поколений. Кварки различались по цветам, но температура все еще была слишком высока, чтобы они объединялись в адроны. К тому же частицы и античастицы могли сталкиваться и аннигилировать. К счастью было небольшое нарушение симметрии между веществом и антивеществом – примерно 1 частица на тысячу миллионов, что сыграло важную роль в дальнейшем.

Разделение  электрослабого взаимодействия: 10^-10с   

 Следующее крупное  событие произошло на 10^-10 секунде жизни Вселенной – температура упала настолько, что электрослабое взаимодействие разделилось на слабое и электромагнитное. При этом фотоны остались безмассовыми, а W и Z бозоны, а так же кварки и лептоны, приобретают массу. Т.о. появляются все 4 известных нам взаимодействия и все становится более знакомым.

Формирование  адронов: 10^-6 – 10^-4с   

 Начиная с 10^-6с, с кварками произошли две вещи.  
    Во-первых, Вселенная остыла настолько, что тони начали поддаваться сильному взаимодействию и объединяться в бесцветные группы – адроны. Группы из трех частиц называются барионами, а из пары частица-античастица – мезонами. Самые легкие барионы – протон и нейтрон – появились как раз в это время. 
    Во-вторых, энергия Большого Взрыва снизилась на столько, что уже не могла компенсировать аннигиляцию кварков и их производных. Тем не менее, они продолжали сталкиваться и аннигилировать, пока не осталась та самая 1 частица на тысячу миллионов, которой аннигилировать было не с кем. Лептоны же продолжали пополняться, что обеспечило им преимущество перед кварками.

Лептонная эра: 10^-4 – 10с   

 В начале лептонной  эры вещество состояло из немногих  протонов и нейтронов, окруженных морем лептонов. Но, т.к. Вселенная продолжала остывать, наступил момент, когда энергии нейтрино перестало хватать для рождения пар лептон-антилептон. Т.о. произошло отделение нейтрино. Нынешняя температура этих реликтовых нейтрино 1.9К и их еще сложнее обнаружить, чем реликтовые фотоны. 
    Вслед за этим оставшиеся таоны и мюоны распадались в электроны, которые продолжали аннигилировать с позитронами, пока не остался тот самый дефект, созданный при инфляции. Т.к. полный заряд Вселенной сохраняется – количество электронов было равно количеству оставшихся протонов. А электронные нейтрино присоединились в своим родственникам. 
    Из-за того, что нейтрон немного тяжелее протона, процесс превращения его в протон доминировал над обратным. В результате этого, к окончанию лептонной эры протонов стало примерно в пять раз больше, чем нейтронов. А всего на одну частицу вещества приходилось по миллиарду фотонов, которые все еще были достаточно энергичными по нашим меркам.   

 Так началась радиационная  эра…

Время после Большого Взрыва

Характерные температуры (K)

Характерные расстояния (см)

Этап/ Событие

< 10^-43c

> 10³²

< 10^-33

Квантовый хаос. Суперсимметрия (объединение всех взаимодействий).

10^-43с

10³²

10^-33

Планковский момент. Отделение гравитационного взаимодействия.

10^-43 - 10^-36с

10³² - 10²⁸

10^-33-10^-29

Великое объединение (электрослабого и сильного взаимодействий).

10^-36с

10²⁸

10^-29

Конец Великого объединения. Разделение сильного и электро-слабого взаимодействий.

10^-36 - 10^-32с

10²⁸ - 10²⁶

10^-29 - 10^-27

Инфляция. Возникновение  асимметрии между веществом и  антивеществом.

10^-10 с

10¹⁵

10^-16

Конец электрослабого объединения.

10^-6 с

10¹³

10^-14

Кварк-адронный фазовый  переход.

10^-10-10^-4 с

10¹⁵-10¹²

10^-16-10^-13

Адронная эра. Рождение и аннигиляция адронов и лептонов.

10^-4 - 10 с

10¹²-10¹⁰

10^-13-10^-10

Лептонная эра. Рождение и аннигиляция лептонов.

0.1 - 1 с

2·10¹⁰

10^-11

Отделение нейтрино. Вселенная становится прозрачной для нейтрино (антинейтрино).

10² - 10³ с

~ 10⁹

10^-10-10^-9

Дозвездный синтез гелия.

10 с - 10⁴ лет

10¹⁰ - 10⁴

10^-10 - 10^-5

Радиационная эра. Доминирование излучения над веществом.

10⁴ лет

10⁴

10^-5

Начало эры Вещества. Вещество начинает доминировать над излучением.

300 000 лет

3·10³

10^-4

Разделение вещества и излучения. Вселенная становится прозрачной для излучения.