- •Вакуум, элементарные частицы и вселенная.
- •Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.
- •Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.
- •Часть 3. Физика и космология на границах познания.
- •Предисловие
- •Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.
- •1. Поиски новых концепций на рубежах веков
- •2. Классификация и основные свойства частиц и взаимодействий
- •3. Стандартная Модель и ее проблемы
- •4. Структура кхд вакуума
- •5. Брукхейвенский эксперимент
- •6. Суперструнная программа
- •6.1.Концепция суперсимметрии.
- •6.2.Объединение физических взаимодействий.
- •6.3.Многомерное пространство.
- •6.4.Суперструны.
- •7. Преонная альтернатива.
- •7.1.Сколько типов вакуумных конденсатов существует в природе?
- •7.2.Основные идеи теории преонов.
- •7.3.Возможные сюрпризы преонной гипотезы.
- •8. Что заставляет нас изучать структуру физического вакуума?
- •Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.
- •1. Возможно ли изучение Мира в целом? Проблемы экстраполяции.
- •2. Идеи теории Эйнштейна.
- •2.1.Структура физических законов.
- •2.2. Геометризация тяготения и общий принцип относительности.
- •3.Принципы теоретической космологии.
- •3.1.Синтез теории тяготения Эйнштейна и микрофизики.
- •3.2.Изотропные космологические модели. Проблема фиксации топологии.
- •4.Основные космологические эффекты Стандартной Модели элементарных частиц.
- •4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.
- •4.2. Барионная асимметрия Вселенной.
- •1) В фундаментальной физической теории должен существовать элементарный процесс на уровне частиц и вакуума, в котором не сохранялся бы барионный заряд частиц;
- •5.Стандартная Космологическая Модель.
- •5.1.Синтез легких элементов.
- •5.3.Эпоха генерации крупномасштабной структуры Вселенной.
- •6. Проблемы физики современной Вселенной.
- •6.1.Темная материя.
- •6.2.Вакуум как носитель энергии Вселенной.
- •7.Сверхранняя Вселенная. Глобальные проблемы и инфляция.
- •7.1 Концептуальные проблемы космологии.
- •7.2. Неравновесность и инфляция.
- •7.3. От сверхранней Вселенной к масштабам Стандартной Модели. Суперструны или преоны?
- •8. Физика вакуума и антропный принцип.
- •Часть 3. Физика и космология на границах познания.
- •1. Возможности современной квантовой теории как инструмента познания.
- •2.Квантовая версия ото и космологии.
- •2.1. Физический аспект проблемы квантования.
- •2.2. Математическая структура теории. «Исчезновение» времени.
- •3.Квантовая геометродинамика и рождение Вселенной.
- •3.1. Проблемы познания.
- •3.2. Наблюдатель в квантовой Вселенной.
- •3.4. Гравитационный вакуумный конденсат.
- •4.Концепция множественности миров.
- •5. Гимн о сотворении Мира в терминологии квантовой геометродинамики.
- •Гимн о сотворении Мира. Ригведа, х, 129.
- •6.Драма идей в познании природы.
5.3.Эпоха генерации крупномасштабной структуры Вселенной.
Мы уже не раз отмечали, что в космологической плазме присутствуют малые пространственно неоднородные возмущения плотности и температуры, развитие которых в более поздние эпохи и приводит к появлению гравитационно-обособленных объектов. Физическая природа этих возмущений представляет собой фундаментальную проблему космологии. Нельзя сказать, что мы имеем исчерпывающее решение этой проблемы. Выше мы упоминали, что генерация пространственно неоднородных флуктуаций является общим следствием релятивистских фазовых переходов, в частности, переходов на электрослабом и кварк-адронном масштабах. Однако нам неизвестен механизм установления причинно следственных связей в ранней Вселенной, поэтому мы не можем сказать, достаточно ли этих флуктуаций для объяснения реликтовых пространственно неоднородных возмущений. Наиболее популярной на сегодняшний день является гипотеза о том, что реликтовые возмущения возникли в сверхранней Вселенной, в эпоху так называемой инфляции (см. Раздел 7). Сейчас нам важно отметить, что эти возмущения обязательно имеются в плазме на момент рекомбинации. Какова бы ни была их физическая природа, их можно увидеть, изучая реликтовое излучение.
Первые экспериментальные данные о флуктуациях реликтового излучения были получены в 92-93 годах, они относились к масштабам, намного большим размеров скоплений галактик. Эксперимент был основан на том, что свойства этого излучения полностью определяются его температурой Т (заданной температуре соответствует заданное распределение энергии по спектру и определенная плотность энергии фотонного газа). Поэтому пространственно неоднородные флуктуации этого излучения можно характеризовать флуктуациями температуры. В масштабах, превышающих размеры скоплений галактик, эти флуктуации обнаружены на уровне Т / Т = 10-5. В ближайшие годы в спутниковых экспериментах планируется продолжить изучение реликтового излучения на этом и меньших масштабах. При этом будут получены новые экспериментальные данные о кинетике процесса рекомбинации и, тем самым, будут экспериментально подтверждены, как мы надеемся, излагаемые представления об эволюции космологической плазмы.
Конечно, с точки зрения проблемы образования крупномасштабной структуры Вселенной интерес представляют флуктуации на масштабах, близких к размерам структур. К сожалению, свойства космического излучения на этих масштабах будут несколько искажены по сравнению с характеристиками реликтового излучения, но есть надежда все же выделить именно реликтовые характеристики из экспериментальных данных. Если все это удастся, то у нас будет более-менее надежная экспериментальная основа для теории образования крупномасштабной структуры. Дело в том, что до рекомбинации неоднородность барионной компоненты космологического газа в точности повторяла неоднородность фотонной компоненты в силу того, что между этими компонентами имелось достаточно сильное взаимодействие. В локально равновесной среде корреляция между пространственно неоднородными характеристиками подсистем неизбежна. После рекомбинации, когда взаимодействие между этими подсистемами практически отсутствует, они эволюционируют независимо. Фотонная подсистема фактически сохранила свою пространственно неоднородную структуру, имеющуюся на момент рекомбинации, единственным результатом ее эволюции является остывание фотонного газа. В барионной подсистеме процессы шли по-другому: эта подсистема гравитационно неустойчива, и малые возмущения, которые были в ней на момент рекомбинации, после рекомбинации начали регулярно возрастать (до рекомбинации такому росту препятствовали упругие свойства фотонной подсистемы, тесно связанной с барионной). За определенный промежуток времени эти флуктуации достигают больших значений (возмущения плотности барионной подсистемы становятся порядка самой плотности). Этот момент как раз и соответствует моменту образования галактик и их скоплений. Если изложенная теория соответствует действительности, то она должна объяснить, как крупномасштабная структура успевает возникнуть за промежуток времени от рекомбинации до наших дней при начальных возмущениях, о которых нам известно из экспериментов по реликту. Но вот тут-то нас и ожидает сюрприз: если предположить, что кроме барион-электронной и фотон-нейтринной подсистем во Вселенной больше ничего нет (напомним, что в этом случае Вселенная открыта), то экспериментально установленные малые возмущения не успевают развиться в наблюдаемую крупномасштабную структуру. Чтобы они успели это сделать, их уровень должен быть примерно в 10 раз выше наблюдаемого. В чем же дело, где искать решение проблемы? Для ответа на этот вопрос необходимо провести более детальный анализ физической природы носителей энергии во Вселенной.