1. ентропія Всесвіту
2. Перші три хвилини. Первинний нуклеосинтез
3. Проблеми теорії Великого вибуху
4. інфляційна модель
5. Мультивсесвіт
6. Альтернативи теорії інфляції

Теорія Великого вибуху - теорія первинного нуклеосинтеза . Відповідає на питання - яким чином утворилися хімічні елементи і чому поширеність їх саме така, яка зараз спостерігається. грунтується на екстраполяції законів ядерної та квантової фізики, в припущенні, що при русі в минуле, середня енергія частинок (температура) зростає

Кордон застосовності - область високих енергій, вище яких перестають працювати вивчені закони. При цьому речовини як такого вже і немає, а є практично чиста енергія. Якщо екстраполювати закон Хаббла на той момент, то виявиться, що видима область Всесвіту розмістилася в невеликому обсязі. Малий обсяг і велика енергія - характерний стан речовини після вибуху, звідси і назва теорії - теорія Великого Вибуху. При цьому залишається за рамками відповідь на питання: «Що викликало це вибух і яка його природа?».

Також теорія Великого вибуху передбачила і пояснила походження реліктового випромінювання - це спадщина того моменту, коли ще вся речовина було іонізованним і не могло опиратися тиску світла. Іншими словами, реліктовий фон - це залишок «фотосфери Всесвіту».

ентропія Всесвіту

Головним аргументом, який підтверджує теорію гарячого Всесвіту, є значення її питомої ентропії . Вона з точністю до чисельного коефіцієнта дорівнює відношенню концентрації рівноважних фотонів nγ до концентрації баріонів nb.

Висловимо nb через критичну щільність і частку баріонів:

де h100 - сучасне значення Хаббла, виражене в одиницях 100 км / (c Мпк), і, з огляду на, що для реліктового випромінювання з T = 2,73 До

см-3,

отримуємо:

Зворотній величина і є значення питомої ентропії.

Перші три хвилини. Первинний нуклеосинтез

Основні ядерні реакції на етапі первинного нуклеосинтеза.

Імовірно, з початку народження (або принаймні з кінця інфляційної стадії) і протягом часу, поки температура залишається не нижче 1016 ГеВ (10-10с), присутні всі відомі елементарні частинки, причому всі вони не мають маси. Цей період називається періодом Великого об'єднання, коли електрослабкої і сильне взаємодії єдині.

На даний момент неможливо сказати, які ж саме частки присутні в той момент, але дещо все ж відомо. Величина η - не тільки показник питомої ентропії, а й характеризує надлишок частинок над античастинками [ :

У момент, коли температура опускається нижче 1015 ГеВ, ймовірно, виділяються X- і Y-бозони з відповідними масами.

Епоху Великого об'єднання змінює епоха електрослабкої об'єднання, коли електромагнітне і слабке взаємодії представляють єдине ціле. У цю епоху йде анігіляція X- і Y-бозонів. У момент, коли температура знижується до 100 ГеВ, епоха електрослабкої об'єднання закінчується, утворюються кварки, лептони і проміжні бозони.

Настає адронний ера, ера активного народження і анігіляції адронів і лептонів. У цю епоху примітний момент кварк-адронного переходу або момент конфайнмента кварків , Коли стало можливим злиття кварків в адрони. У цей момент температура дорівнює 300-1000 МеВ, а час від народження Всесвіту складає 10-6 с.

Епосі адронной ери успадковує Лептонний ера - в момент, коли температура падає до рівня 100 МеВ, а на годиннику 10-4 с. У цю епоху складу Всесвіту починає бути схожим на сучасний; основні частки - це фотони, крім них є тільки електрони і нейтрино зі своїми античастинками, а також протони і нейтрони. У цей період відбувається одна важлива подія: речовина стає прозорим для нейтрино. Виникає щось на зразок реліктового фону, але для нейтрино. Але так як відділення нейтрино сталося раніше відділення фотонів, коли деякі види частинок ще не проаннігіліровалі, віддавши свою енергію іншим, то і охололи вони більше. До теперішнього часу нейтринний газ повинен був охолонути до 1,9 К, якщо нейтрино не мають маси (або їх маси нехтує малі).

При температурі Т≈0,7 МеВ термодинамічна рівновага між протонами і нейтронами, що існувала до цього, порушується і ставлення концентрації нейтронів і протонів застигає на значенні 0,19. Починається синтез ядер дейтерію, гелію, літію. Через ~ 200 секунд після народження Всесвіту температура падає до значень, при яких нуклеосинтез більш неможливий, і хімічний склад речовини залишається незмінним до моменту народження перших зірок.

Проблеми теорії Великого вибуху

Незважаючи на значні успіхи, теорія гарячого Всесвіту стикається з низкою труднощів. Якби Великий вибух викликав розширення Всесвіту, то в загальному випадку могло б виникнути сильне неоднорідний розподіл речовини, чого не спостерігається. Теорія Великого Вибуху також не пояснює розширення Всесвіту, вона приймає його як факт.

Теорія також передбачає, що співвідношення числа частинок і античастинок на початковій стадії було таким, що дало в результаті сучасне переважання матерії над антиматерією. Можна припустити, що спочатку Всесвіт був симетрична - матерії і антиматерії була однакова кількість, але тоді, щоб пояснити баріонну асиметрію , Необхідний деякий механізм баріогенеза , Який повинен призводити до можливості розпаду протона , Чого також не спостерігається.

різні теорії Великого об'єднання припускають народження в ранньому Всесвіті великого числа магнітних монополів , До цього моменту також не виявлених.

інфляційна модель

Завдання теорії інфляції - дати відповіді на питання, які залишили після себе теорія розширення і теорія Великого вибуху: «Чому Всесвіт розширюється? І що таке Великий Вибух? »Для цього розширення екстраполюється на нульовий момент часу і вся маса Всесвіту виявляється в одній точці, утворюючи космологічні сингулярність, часто її і називають Великим Вибухом. По всій видимості, загальна теорія відносності на той момент вже непридатна, що призводить до численних, але поки, на жаль, тільки чисто умоглядним спробам розробити більш загальну теорію (або навіть «нову фізику»), вирішальну цю проблему космологічної сингулярності .

Основна ідея інфляційної стадії - якщо вести скалярний поле , Зване інфлантоном, вплив якого велике на початкових стадіях (починаючи, приблизно з 10-42с), але швидко зменшується з часом, то можна пояснити плоску геометрію простору, Хаббловском розширення ж стає рухом по інерції завдяки великій кінетичної енергії, накопиченої в ході інфляції, а походження з малої спочатку причинно-зв'язаної області пояснює однорідність і ізотропності Всесвіту.

Однак способів задати інфлатонним - безліч, що в свою чергу породжує ціле безліч моделей. Але більшість ґрунтується на припущенні про повільне скачуванні: потенціал інфлантона повільно зменшується до значення, рівного нулю. Конкретний же вигляд потенціалу і спосіб завдання початкових значень залежить від обраної теорії.

Теорії інфляції також діляться на нескінченні і кінцеві у часі. В теорії з нескінченної інфляцією існують області простору - домени - які почали розширюватися, але через квантових флуктуацій повернулися в первісний стан, в якому виникають умови для повторної інфляції. До таких теорій відноситься будь-яка теорія з нескінченним потенціалом і хаотична теорія інфляції Лінде [82] .

До теорій з кінцевим часом інфляції відноситься гібридна модель. У ній існує два види поля: перше відповідально за великі енергії (а значить за швидкість розширення), а друге за малі, що визначають момент завершення інфляції. В такому випадку квантові флуктуації можуть вплинути тільки на перше поле, але не на друге, а значить і сам процес інфляції кінцевий.

До невирішених проблем інфляції можна віднести скачки температури в дуже великому діапазоні, в якийсь момент вона падає майже до абсолютного нуля. В кінці інфляції відбувається повторне нагрівання речовини до високих температур. На роль можливого пояснення такої дивної поведінки пропонується «параметричний резонанс».

Мультивсесвіт

«Мультивсесвіт», «Великий Всесвіт», «Мультіверс», «Гіпервселенная», «Сверхвселенная», «Мультіленная», «Омніверс» - різні переклади англійського терміна multiverse. З'явився він у ході розвитку теорії інфляції.

Області Всесвіту, розділені відстанями більше розміру горизонту частинок , Еволюціонують незалежно один від одного. Будь-який спостерігач бачить тільки ті процеси, які відбуваються в домені, що дорівнює за обсягом сфері з радіусом, що становить відстань до горизонту частинок. В епоху інфляції дві області розширення, розділені відстанню близько горизонту, не перетинаються.

Такі домени можна розглядати як окремі всесвіти, подібні до нашої: вони точно так само однорідні і ізотропні на великих масштабах. Конгломерат таких утворень і є Мультивсесвіт.

Хаотична теорія інфляції передбачає нескінченну різноманітність Всесвітів, кожна з яких може мати відмінні від інших Всесвітів фізичні константи. В іншої теорії Всесвіти розрізняються по квантовому виміру. За визначенням ці припущення не можна експериментально перевірити.

Альтернативи теорії інфляції

Модель космічної інфляції цілком успішна, але не необхідна для розгляду космології. У неї є свої противники, в числі яких можна назвати Роджера Пенроуза . Їхні аргументи зводяться до того, що рішення, пропоновані інфляційної моделлю, залишають за собою втрачені деталі. Наприклад, ніяких фундаментальних обґрунтувань того, що обурення щільності на доінфляціонной стадії повинні бути саме такими малими, щоб після інфляції виникала спостерігається ступінь однорідності, ця теорія не пропонує. Аналогічна ситуація і з просторової кривизною: вона дуже сильно зменшується при інфляції, але ніщо не заважало їй до інфляції мати настільки велике значення, щоб все-таки проявлятися на сучасному етапі розвитку Всесвіту. Іншими словами, проблема початкових значень не наважується, а лише майстерно драпірується.

В якості альтернативи пропонуються такі екзотичні теорії, як теорія струн і теорія бран, а також циклічна теорія. Основна ідея цих теорій полягає в тому, що всі необхідні початкові значення формуються до Великого вибуху.

• Теорія струн вимагає доповнити звичайне чотиривимірний простір-час ще кількома вимірами, які грали б роль на ранньому етапі Всесвіту, але зараз знаходяться в компактифицированном стані. На неминуче питання, чому ж ці вимірювання компактифицированного, пропонується наступна відповідь: суперструн володіють T-дуальністю , В зв'язку з чим струна «намотується» на додаткові виміри, обмежуючи їх розмір.

• У рамках теорії бран (М-теорії) все починається з холодного, статичного пятимерного простору-часу. Чотири просторових вимірювання обмежені тривимірними стінами або три-лайкою; одна з цих стін і є простором, в якому ми живемо, в той час як друга брану прихована від сприйняття. Існує ще одна три-брану, «втрачена» десь між двома граничними лайкою в чотиривимірному просторі. Відповідно до теорії, при зіткненні цієї Брани з нашої вивільняється велика кількість енергії і тим самим утворюються умови для виникнення Великого вибуху.

• циклічні теорії постулюють, що Великий вибух не є унікальним у своєму роді, а має на увазі перехід Всесвіту з одного стану в інший. Вперше циклічні теорії були запропоновані в 1930-і роки. Каменем спотикання таких теорій став другий закон термодинаміки , згідно якому ентропія може тільки зростати. А значить, попередні цикли були б набагато коротше і речовина в них було б набагато гарячіша, ніж в момент останнього Великого вибуху, що малоймовірно. На даний момент існує дві теорії циклічного типу, які зуміли вирішити проблему всезростаючої ентропії: теорія Стейнхардт-тюрків і теорія Баум-Фремптоном.