4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.

 

Для космологической плазмы температура Т_с = 100 ГэВ (примерно 10¹⁵ К) является выделенной, в определенном смысле даже критической. Дело в том, что при очень высоких температурах, больших Т_с, существование ХК энергетически невыгодно. Геометрическая структура расслоений пространства-времени, соответствующих слабому взаимодействию, при таких температурах не деформирована. При отсутствии деформаций все частицы, составляющие космологическую плазму, не имеют массы покоя. Такое состояние плазмы (без ХК) называется высокосимметричным. Однако при понижении температуры до Т_с высокосимметричное состояние становится неустойчивым, поэтому в вакууме обязательно образуется ХК и, как следствие, существенно изменяются свойства элементарных частиц и термодинамические свойства плазмы в целом. Новое состояние плазмы называется низкосимметричным. В низкосимметричной фазе частицы уже имеют ненулевые массы покоя. Правда, значения этих масс отличаются от тех, которые мы измеряем в современном эксперименте. Это связано с тем, что ХК, возникший в высокотемпературной плазме при Т=Т_с, еще далек от того состояния, которое он приобретает при температурах, близких к нулю. Массы же частиц, как мы знаем, возникают в результате взаимодействия квантовых полей с ХК.

Описанные изменения состояния вакуума и плазмы элементарных частиц, происходящие при Т=Т_с, называются релятивистским фазовым переходом (РФП) из высокосимметричной фазы в низкосимметричную. Честь теоретического открытия РФП принадлежит российским физикам Д.А.Киржницу и А.Д.Линде. Как показали дальнейшие исследования, процессы РФП играют ключевую роль в формировании наблюдаемых свойств Вселенной. Прежде чем обсуждать космологические последствия РФП, отметим, что вышеописанная картина РФП с образованием ХК является неполной. В этой картине учитываются эффекты, нарушающие симметрию расслоений пространства-времени, соответствующих электромагнитным и слабым взаимодействиям, но не содержатся весьма важные физические явления, связанные с квантово-топологическими свойствами расслоений пространства-времени.

К счастью у нас есть возможность детально изучить квантово-топологические свойства расслоений на примере другого РФП, о неизбежности которого нам достоверно известно. Речь идет о фазовом переходе в кварк-глюонной плазме при температурах порядка Т₀=200 МэВ. Заметим, что величина Т₀ примерно в 500 раз меньше температуры, при которой образуется ХК.

В реальной Вселенной переход кварк-глюонной плазмы в адронную фазу происходит при охлаждении плазмы. Для удобства рассуждений рассмотрим обратный процесс – кварк-адронный переход при нагревании адронной плазмы. При низких температурах адронная плазма в основном состоит из протонов, нейтронов и пи-мезонов. Отметим, что все перечисленные частицы, будучи составными, имеют конечные размеры – их диаметр порядка 10^-13 см. При нагревании плазмы число частиц в ней увеличивается за счет рождения пионных пар, поэтому в более горячей плазме частицы находятся в среднем ближе друг к другу. Естественно, рано или поздно возникает ситуация, когда характерное расстояние между адронами становится порядка их собственных размеров. Теория надежно предсказывает, что это происходит как раз при температуре Т₀ = 200 МэВ. Ясно, что при более высоких температурах уже нельзя говорить об адронах как об индивидуальных объектах. Они сливаются друг с другом, и кварки, входящие в их состав, коллективизируются, то есть, не привязаны к конкретным адронам, а принадлежат Вселенной в целом. Процесс коллективизации кварков сопровождается рождением большого количества глюонов, их число определяется условиями термодинамического равновесия. Возникающая при этом система называется кварк-глюонной плазмой (КГП).

Заметим, что выше мы описали процесс, который планируется воспроизвести в небольших масштабах в лабораторном (Брукхейвенском) эксперименте. Как было показано в Разделе 5 первой части, этот процесс сопровождается перестройкой структуры кварк-глюонного вакуума. Напомним, что внутриадронный вакуум и внеадронный вакуум имеют различные дионные структуры – внеадронный вакуум есть скоррелированная система дионов, каждый из которых несет как хромоэлектрический, так и хромомагнитный заряд, а внутриадронный вакуум состоит из дионных комплексов, в которых хромоэлектрические заряды скомпенсированы, но хромомагнитные заряды отличны от нуля. Ясно, что после слияния адронов и коллективизации кварков дионные структуры, соответствующие внеадронному вакууму, исчезают, сохраняются только структуры, характерные для внутриадронного вакуума. При дальнейшем повышении температуры энергетически невыгодным становится и существование хромомагнитных дионных комплексов, они разрушаются, после чего КГП уже сильно напоминает обычный идеальный газ. Разрушение хромомагнитных дионных комплексов представляет собой еще один РФП, он происходит, по-видимому, при температуре Т₁ = 500 МэВ.

Вернемся теперь к реальной Вселенной, которая охлаждается в ходе расширения. При понижении температуры до 500 МэВ идеальный кварк-глюонный газ, существующий на фоне бесструктурного вакуума, переходит в кварк-глюонную плазму, взаимодействующую с КГК, состоящим из хромомагнитных дионных комплексов. В таком состоянии плазма находится вплоть до температуры Т₀ = 200 МэВ, при которой расстояния между кварками и глюонами становятся порядка размеров адрона. При еще более низких температурах кварки и глюоны не могут существовать в виде отдельных частиц, перемещающихся на макроскопические расстояния. Деколлективизация кварков, то есть их распределение по отдельным адронам, сопровождается перестройкой кварк-глюонного вакуума. При температурах, больших Т₀, вакуум имел в основном хромомагнитную структуру, дионы собирались в комплексы с нулевым хромоэлектрическим зарядом, именно поэтому кварки и глюоны могли перемещаться на макроскопические расстояния во Вселенной. При меньшей температуре эти комплексы перестраиваются, возникает структура, которая существует и в настоящее время жизни Вселенной, а движение свободных кварков и глюонов уже невозможно. Происходят одновременно два процесса: 1) кварки и глюоны образуют адроны; 2) вакуум приобретает иную дионную структуру, соответствующую фазе конфайнмента. Эти явления одинаково важны и интересны как для физики, так и для космологии.

Один из вопросов физики кварк-адронного фазового перехода обсуждался ранее в Разделе 5 Части 1 в связи с Брукхейвенским экспериментом: дионная структура вакуума, возникающая в ходе кварк-адронного перехода, абсолютно стабильна или может быть метастабильной? Напомним, что существование во Вселенной высокоэнергетических частиц, способных при соударениях порождать КГП, практически однозначно приводит к выводу, что в наблюдаемой части Вселенной кварк-глюонный вакуум имеет стабильную дионную структуру. Тем не менее, некоторые загадки остаются. Может ли быть создан “пузырек” метастабильного вакуума в эксперименте, типа проводящегося в Брукхейвене? То есть, могут ли в области кварк-адронного перехода образовываться метастабильные области вакуума, стабилизированные содержащимся внутри них веществом? Если да, то каково же время жизни таких метастабильных конфигураций? Из общих соображений ясно, что, если возможно существование различных дионных структур вакуума (из которых одна стабильны, а прочие –– метастабильны или нестабильны), то в процессе кварк-адронного перехода могут возникать области метастабильных конфигураций. Насколько долго они живут? Современное состояние знаний о кварк-глюонном вакууме пока не позволяет предсказать времена жизни метастабильных конфигураций. Эти времена могут лежат в интервале от атомных до космологических времен. Точнее теория пока не может сказать ничего. Может быть, что-то прояснит Брукхейвенский эксперимент – если будут обнаружены сгустки КГП, можно будет оценить времена жизни таких образований в зависимости от их материальной “начинки”. Метастабильные состояния кварк-глюонного вакуума, если они действительно существуют в природе, могут существенно повлиять на космологические последствия кварк-адронных переходов.

РФП на энергетических масштабах Т_с = 100 ГэВ (с образованием ХК), Т₁ = 500 МэВ и Т₀ = 200 МэВ (с образованием и перестройкой КГК) предсказываются существующей теорией элементарных частиц – Стандартной Моделью. Характерным следствием любого из этих РФП является возникновение неоднородностей, обусловленное аномальным ростом термодинамических флуктуаций параметров вакуума и плазмы элементарных частиц. Вопрос состоит в том, могут ли эти флуктуации иметь отношение к крупномасштабной структуре Вселенной, может ли их эволюция во времени привести к образованию этой крупномасштабной структуры? Ответ на этот вопрос зависит от того, какие пространственные размеры имеют такие флуктуации. При оценке этих размеров часто используется понятие так называемого горизонта событий.

Выше мы уже неоднократно отмечали, что космологические модели содержат особую точку, сингулярность, которая формально сопоставляется моменту рождения Вселенной. Расстояние, которое проходит свет за время от сингулярности до интересующей нас эпохи эволюции Вселенной, называется горизонтом событий этой эпохи. Простые соображения как будто бы с неизбежностью приводят к выводу о том, что причинно связанными могут быть лишь события, лежащие внутри горизонта. Применительно к флуктуациям, возникающим в области РФП, это означает, что характерные масштабы флуктуаций не могут превышать размеры горизонта на момент РФП. В рамках таких представлений следует признать, что пространственные размеры флуктуаций, возникающих в окрестности всех фазовых переходов, предсказываемых СМ, слишком малы, чтобы иметь отношение к крупномасштабной структуре Вселенной.

Ситуация, однако, не столь однозначна. Дело в том, что даже имеющиеся наблюдательные данные прямо указывают, что причинно-следственные отношения в ранней Вселенной охватывали области, размеры которых многократно превышали размеры горизонта. В противном случае сегодня мы не наблюдали бы Вселенную однородной и изотропной в среднем. Противоречие между наблюдениями и упрощенным взглядом на процесс установления причинно-следственных связей во Вселенной, основанным только на свойствах сингулярных фридмановских решений уравнений Эйнштейна, носит название проблемы горизонта. Решение этой проблемы ищется в физике ранней и сверхранней Вселенной. Мы коснемся этой проблемы в Разделах 2 и 3 третьей части, а сейчас просто примем, как факт, что размер горизонта на момент РФП не имеет отношения к характерному пространственному масштабу, на котором имеют место причинно-следственные связи. В этом случае вполне можно допустить, что пространственные размеры флуктуаций, возникающих в окрестностях РФП, сопоставимы с параметрами крупномасштабной структуры Вселенной. Это утверждение, однако, сегодня нельзя рассматривать, как научно достоверное, его судьба будет определяться прогрессом в понимании физики ранней и сверхранней Вселенной.

Как мы уже неоднократно отмечали, эволюция Вселенной начинается от состояния с очень большими (формально даже бесконечными) значениями температуры и плотности космологической плазмы. Поэтому неизбежно возникает вопрос о физических явлениях, имевших место при более высоких энергиях, находящихся за рамками СМ. С достаточной долей уверенности можно сделать два утверждения. Во-первых, очевидно, что во Вселенной происходило множество РФП на самых различных энергетических масштабах. Во-вторых, все новые РФП принадлежат к одному их двух типов, аналог которых существует уже в СМ: это либо переходы с образованием ХК, либо переходы с образованием квантово-топологических структур. Однако для изучения РФП, происходящих за пределами СМ, необходимо выяснить, по какому пути пошла Природа: суперструнному или преонному? В Разделах 6, 7 первой части эти альтернативные пути развития фундаментальной физической теории уже обсуждались достаточно подробно. Напомним, что эти альтернативы различаются представлениями о микроструктуре физического вакуума: в суперструнном варианте теории вакуумные подсистемы в основном состоят из объектов типа ХК, а в преонном варианте – из объектов типа КГК. Поэтому необходимо иметь в виду различия в характере и космологических последствиях двух типов РФП.

РФП с образованием ХК принадлежит к так называемым фазовым переходам II рода или, по крайней мере, к переходам, близким ко II роду. Для таких переходов характерна непрерывность или почти непрерывность преобразований свойств вакуума и частиц (ниже мы будем использовать термин квазинепрерывность). В высокосимметричной и низкосимметричной фазах мы имеем один и тот же набор квантовых полей, только в высокосимметричной фазе эти поля не взаимодействуют с ХК (по причине отсутствия последнего), а в низкосимметричной фазе – взаимодействуют. Сам ХК квазинепрерывно возникает в процессе РФП, вследствие чего свойства частиц, взаимодействующих с ХК, изменяются также квазинепрерывно. Квазинепрерывность перехода II рода ограничивает его макроскопические последствия – к вышеописанной генерации флуктуаций в области такого РФП практически добавить нечего.

Второй из обсужденных выше РФП – кварк-адронный переход с образованием и перестройкой КГК – принадлежит к совершенно другому типу. Это так называемый фазовый переход I рода, при котором скачкообразно возникают новые свойства системы. В частности, при этом переходе кварки и глюоны как носители энергии плазмы исчезают, их место занимают составные адроны. Характерная особенность фазового перехода I рода состоит в том, что область перехода на температурной шкале является достаточно широкой, в этой области возможно сосуществование пространственно разделенных различных фаз. Если система, испытывающая фазовый переход, имеет не только стабильные, но и метастабильные состояния, то последние также могут возникать и некоторое время существовать в окрестности перехода. Рано или поздно «островки» метастабильных фаз исчезнут, однако их исчезновение сопровождается мощным энерговыделением. Возможную природу метастабильных конфигураций в области кварк-адронного перехода выше мы уже обсуждали. Если такие конфигурации действительно существовали, то космологическим последствием их распада стало бы заметное увеличение числа фотонов по отношению к барионам.