Фазовые переходы во вселенной
Воздействие хронополя на нашу фазу Вселенной, аналогично воздействию электрического поля на точечный заряд. Как на электрический заряд действует сила, зависящая от напряжённости электрического поля и заставляющая его двигаться в строго определённом направлении, так и на любой вид материи, в нашей фазе Вселенной, действует хронополе, заставляя двигаться её в сторону увеличения энтропии. Такое воздействие и определяет “стрелу времени”.
Другими словами, в материи, под воздействием хронополя, происходят необратимые процессы, которые можно назвать «старением». В нашей фазе Вселенной они не обратимы, но их можно либо замедлить, либо ускорить, изменяя напряжённость хронополя. При увеличении гравитации или при осуществлении какого-либо энергетического процесса, напряжённость хронополя будет уменьшаться. Увеличение напряжённости хронополя можно достичь в космосе, удаляясь от гравитационной массы, например Земли.
Наблюдательные данные показывают, что, по крайней мере, ближний космос не свободен от присутствия материи. В нём присутствуют космические лучи и различного вида излучение. Естественно предположить, что квант хронополя, при рождении кванта пространства, вызывает рождение и этих видов материи. Часть энергии хронополя будет затрачиваться на обеспечение внутренней энергии этих видов материи. Если это так, то становится понятной изотропность такого рода излучения.
Энергия одного кванта пространства не переходит полностью в энергию кванта пространства и материи. Часть энергии хронополя расходуется на осуществление фазового перехода, т.е. на превращение кванта подпространства в квант пространства. Распределение энергии хронополя при фазовом переходе можно представить в следующем виде:
h= f + l + m, (14)
где f — энергия фазового перехода подпространства в пространство;
l — энергия кванта пространства;
m — энергия материи в размере одного кванта пространства.
Величину энергии фазового перехода можно определить исходя из условия образования чёрной дыры. Считается, что вся масса чёрной дыры сосредоточена внутри гравитационного радиуса rg=2GMb c2, где Mb — масса чёрной дыры. В этом случае, энергия хронополя расходуется на внутреннюю энергию чёрной дыры и рождение квантов пространства не происходит. Напряжённость хронополя, в этом случае, равна нулю, т.е. отсчёт времени равен бесконечности. Другими словами, плотность внутренней энергии чёрной дыры равна энергии квантов пространства в том же объёме. Если принять плотность внутренней энергии чёрной дыры в пределах одного кванта пространства — b, то энергия фазового перехода будет равна:
Из (15) видно, что большая часть энергии хронополя расходуется на осуществление фазового перехода подпространства в пространство т.к. b
Дальнейшее развитие предложенных гипотез, позволит решить многие проблемы, на которые сейчас нет ответа.
Список литературы
Чернин А.Д. Космический вакуум. УФН, 171 1153 (2001)
Гинзбург В.Л. УФН 169 419 (1999).
Юмашев В.Е. Время и Вселенная. НиТ. (www.n-t.org) 2001.
Кресин В.З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.: Наука, 1978.
Бёрке У. Пространство-время, геометрия, космология. М.: Мир, 1985.
Окунь Л.Б., Селиванов К.Г., Телегди В.Л. Гравитация, фотоны, часы. УФН, 169 1141 (1999).
Шредингер Э. Пространственно-временная структура Вселенной. М.: Наука, 1986.
Источник
Фазовые переходы в ранней Вселенной
В направлении очень ранней Вселенной.
По мерет того, как мы движемся во времени назад к моменту создания, вплоть до одной сотой секунды, Вселенная становится всё горячее и плотнее пока, в конце-концов, материя фактичски изменит свое фазовое состояние, то-есть, изменит свою форму и свойства. Повседневной знакомой аналогией такого процессая является простая вода.
При повышении температуры мы видим последовательность фазовых переводов воды в которых её свойства драматически меняются: твердая фаза — лед — плавится с образованием жидкой фазы — воды — а затем в конечном счете кипит, образуя газообразную фазу — пар. Вы можете отметить, что пар является `более симметричным’, чем вода, которая, в свою очередь, более симметрична, чем лед ( Вы понимаете почему? Объяснения Вы найдете ниже. ) Таким же образом обстоит дело и с материей нашей Вселенной; она начинает существование унифицированной или `симметричной’ фазе (как мы объясним ниже), а затем проходит через последовательность фазовых переходов пока, при более низких температурах, мы наконец получим частицы материи с которыми имеют дело совеменные физики, то есть, электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.
Как мы убедимся на нескольких следующих страницах, фазовые переходы могли оказывать фундаментальное влияние на эволлюцию нашей Вселенной и её содержимое. Более того, некоторые непосредственые `следы’ этих переходов окружают нас сегодня! Две ключевые концепции «объединение» и «фазовый переход» являются жизненно необходимыми для нашего сегодняшнего понимания физики частиц.
Объединение
Основной предпосылкой великого объединения является то, что известные симметрии элементарных частиц происходят из большой (и до сих пор неизвестной) группы симметрии G. Всякий раз, когда происходит фазовый переход, часть этой симметрии теряется, поэтому меняется группа симметрии. Математически это можно записать следующим образом:
G -> H -> . -> SU(3) x SU(2) x U(1) -> SU(3) x U(1).
Здесь, каждая стрелка представляет нарушающий симметрию фазовый переход, при которых материя изменяет свою форму и группу — G, H, SU(3), и т.д.. — представляют различные типы материи, определенно симметрии, которые проявляет материя, связаны с различными фундаментальными силами природы. Такими фундаментальными силами являются:
- Электромагнетизм : Группа U(1) связана с электрическими и магнитными силами, то есть, такими явлениями, как электричество и свет. Величайшим достижением Максвелла конца девятнадцатого столетия явилось объединение электрических и магнитных эффектов в рамках одной математической теории — электромагнетизма.
- Слабое взаимодействие : Это ядерная сила, связанная с радиоактивностью многих нестабильных ядер. В часности, она связана с распадом нейтрона с образованием протона. Слабое взаимодействие было объединено с электромагнетизмом Вайнбергом и Саламом в конце семидесятых годов ХХ века, в теорию, которая сегодня известна под именем электрослабого взаимодействия и которая описывается группой SU(2)xU(1). Предсказания этой стандартной модели объединения были подтверждены на ускорителе частиц в CERN в Женеве в начале 1980-х.
- Сильное взаимодействие: Группа SU(3) связана с сильными ядерными взаимодействиями, которые удерживают вместе нейтроны и протоны внутри ядра. Математическая теория, описываающая элементарные частицы в теории этого взаимодействия — кварки и глюоны — известна под именем квантовой хромодинамики (QCD). Модель хорошо разработана в принципе, однако, на практике, количественные вычисления оказались очень сложны. Модели, которые объединяют сильное взаимодействие с электрослабым известны как теории великого объединения или GUT.
- Гравитация: Самая слабая из всех сил — гравитационная сила — не укладывается в приведенную выше схему. Объединение других фундаментальных сил и гравитации является одним из величайших интелектуальных вызовов, бросаемых физикам-теоретикам. Существует ряд возможностей, такие как теория суперструн, и они известны как TOEs, то есть, теории всего.
Аналогия с водой вновь может оказаться полезной для понимания концепции симетрии и нарушения симметрии. Вода в жидком состоянии является вращательно симметричной, то есть, она выглядит одинаково с любой точки независимо от направления, с которого мы смотрим. мы можем представить эту большую трехмерную симетрию группой G (на самом деле SO(3)). Твердая форма замороженной воды, однако, не является однородной во всех направлениях; кристалл льда обладает предпочтительными направлениями решетки, вдоль которых выстроены молекулы воды. Группа, описывающая эти различные дискретные направления H, допустим, будет меньше, чем G. Следовательно, через процес замораживания исходная симметрия G нарушается, переходя в H.
Фазовые переходы
Космологическое знчение нарушения симметрии обязано тому факту, что симметрии восстанавливаются при высоких температурах (в точности, как это происходит с жидкой водой, когда плавится лед). При чрезвычайно высоких температурах в ранней Вселенной, мы достигнем даже состояния великого объединения G. Рассматриваемая с момента своего возникновения вперед, Вселенная пройдет через последовательность фазовых переходов, в которых выделится сильное ядерное взаимодействие, затем слабое ядерное взаимодействие и электромагнетизм.
Фазовые переходы могут иметь широкий ряд важных последствий включая формирование топологических дефектов — космических струн, стенок доменов, монополей и textures — которые будут подробно описаны на следующих далее страницах, или они могут даже включить период экспоненциального расширения ( инфляции ). Наше обсуждение этих эффектов сосредоточится на очень раннем периоде Вселенной, то есть, на самых первых моментах в течеие первых одной сотой секунды после Большого взрыва.
Фазовые переходы могут быть либо драматическими — первого рода — или гладкими — второго рода:
Фазовые переходы первого рода (проиллюстрированы ниже) происходят путем образования пузырьков новой фазы в массе старой фазы; эти пузырьки затем расширяются и сталкиваются, пока старая фаза не исчезнет полностью и фазовый переход завершится.
Фазовые переходы первого рода происходят через образование зародышей пузырьков. Образуется пузырь новой фазы (истинный вакуум), а затем расширяется пока не исчезнет прежняя фаза (ложный вакуум). Полезной аналогией является кипение воды, при котором образуются пузыри пара расширяются по мере их подъема к поверхности .
Фазовые переходы второго рода , с другой стороны, происходят гладко. Прежняя фаза сама преобразуется в новую фазу непрерывным образом.
При фазовом переходе первого рода, поля материи находятся в состоянии `ложного вакуума’, из которого они могут вырваться лишь путем образования зародышей пузырьков новой фазы, то есть, состояния `итинного вакуума’.
Источник
Наука 21 век » Что такое фазовый переход (космология)
Профессиональная защита интеллектуальной собственности
Что такое фазовый переход (космология)
Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы , аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.
Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму.
По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.
Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии). Все что вы должны знать о русских мусульманах это то, что они являются вполне обыденным явлением в современной России.
Источник
Фазовые переходы во вселенной
Простой факт, что Вселенная расширяется, сразу приводит к представлению о том, что в прошлом Вселенная была более горячей и более плотной. Мы увидим, что экстраполяция современного состояния Вселенной назад во времени на основе общей теории относительности и стандартной термодинамики показывает, что на все более ранних стадиях эволюции вещество во Вселенной характеризовалось все более высокой температурой и плотностью, причем на большинстве этапов космологического расширения выполнялись условия термодинамического равновесия. Двигаясь назад по времени, и, соответственно, поднимаясь по шкале температур, можно отметить несколько характерных «моментов» (точнее, более или менее длительных этапов) в эволюции Вселенной, см. рис. 1.10.
Рис. 1.10. Этапы эволюции Вселенной
Кратко обсудим некоторые из них.
1.5.1. Рекомбинация
При относительно низких температурах обычное вещество во Вселенной представляло собой нейтральный газ (в основном водород). На более ранней стадии, т. е. при более высоких температурах, энергии связи в атоме водорода было недостаточно для того, чтобы удержать электроны в атомах, и вещество находилось в фазе электрон-фотон-протонной плазмы. Температура рекомбинации — перехода из плазменного в газообразное состояние — определяется, грубо говоря, энергией связи атома водорода, 13,6 эВ. Мы увидим, что в действительности рекомбинация происходила при несколько меньшей температуре, около 0,3 эВ. Этот момент важен в связи с тем, что он представляет собой момент последнего рассеяния реликтовых фотонов: до этого момента фотоны интенсивно взаимодействовали с электронами плазмы (рассеивались, поглощались, испускались), а после рекомбинации нейтральный газ стал прозрачен для фотонов ( Точнее, при температуре около 0,3 эВ произошло последовательно сразу три события: рекомбинация — образование атомов водорода, прекращение процессов рассеяния фотонов на электронах и «закалка» водорода — прекращение процессов ионизации водорода фотонами.). Таким образом, реликтовое излучение несет непосредственную информацию о состоянии Вселенной в то время, когда ее температура составляла около 0,27 эВ $\approx$ 3100 К; время жизни Вселенной составляло тогда около 270 тыс. лет.
Упоминавшаяся выше высокая степень изотропии реликтового излучения прямо говорит о степени однородности Вселенной в момент рекомбинации: тогда Вселенная была гораздо однороднее чем сейчас, неоднородности плотности $\delta\rho /\rho$ были сравнимы с флуктуациями температуры и составляли величину порядка $10^<-5>$. Тем не менее, именно эти неоднородности привели в конечном итоге к возникновению структур во Вселенной — сначала первичных галактик, потом галактических скоплений и т. д.
На самом деле, как указывают наблюдения, оптическая толщина (вероятность рассеяния) для фотонов после рекомбинации отлична от нуля и составляет $\tau \simeq 0.06-0.12$?. Причиной этого является вторичная ионизация газа во Вселенной, начавшаяся на той стадии, когда образовывались и исчезали первые звезды, $z\simeq 20$.
Тот факт, что водород во Вселенной почти полностью ионизован ($n_H/n_p
Источник