Вселенная не стационарна ученый
Система Мира — это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд.
Очень простая и наглядная система мира в древнем Вавилоне:
(А Вы знаете что-нибудь о представлениях, например, древних китайцев?)
Шли годы, и мы теперь можем следить за гениальными догадками (умозаключениями) гениальных людей.
Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок.90-ок.160 гг.) в своем труде “Альмагест” предложил геоцентрическую систему Мира:
Однако трудно описать движение планет, приходится вводить много дополнительных предположений.
. И поплыл Колумб в Индию, а открыл Америку.
(Детский вопросик — Интересно, Колумб попал не туда из-за того, что неправильно ориентировался по звездам?)
Николай Коперник (1473-1543 гг.) провозгласил в своей книге “Об обращении небесных сфер” гелиоцентрическую систему мира.
Огромный прорыв в описании Мира, но … звезды по прежнему «прибиты гвоздями» к небосводу.
Прошло еще почти 150 лет, пока не пришел еще один гений – Ньютон.
Вселенная Ньютона
Сэр Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) в своем труде “Математические начала натуральной философии” (1687 г.) заложил основы классической физики:
- 1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.
- 2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.
В основе механики Ньютона лежат три аксиомы (три закона):
- 1. Первый закон — закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
- 2. Второй закон — закон движения
F=m и a F — вынуждающая сила, a — ускорение, m и — инерциальная масса.
- 3. Третий закон — закон действия и противодействия: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.
(Кстати говоря, а что такое механика?)
Решил Ньютон отдохнуть после трудов праведных в саду, и … получилось, что в конце 17 века он установил закон тяготения:
между всеми телами на Земле действуют силы притяжения — гравитационные силы.
F гр = g * m гр * M гр / r 2
g — гравитационная постоянная.
(Детский вопросик — Интересно, а откуда Ньютон узнал о «своих», законах, он что, их сам придумал?)
Обратим внимание, что в уравнениях Ньютона появилось две разных массы: инертная масса m и и гравитационная масса m гр .
Различны ли эти массы?
Сейчас доказано, что m гр =m и с точностью до 10 -12 .
(Детский вопросик: Луна притягивается к Земле, почему до сих пор она не упала на Землю?
Детский вопросик: Почему камень падает на Землю, а не Земля на камень?).
Разобравшись с тем, что происходит на Земле, Ньютон попытался описать самую большую физическую систему — Вселенную .
Для этого Ньютон сделал гениальное предположение –
пусть законы, установленные на Земле, будут действовать и во всей Вселенной,
т.е. эти законы будут мировыми законами .
В конце 17 века считалось, что Вселенная — шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара.
Между частицами — звездами действуют, как считал Ньютон, только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс
Но если Вселенная — бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.
Ньютон делает гениальный вывод:
Вселенная является бесконечной и стационарной (т.е. неизменной во времени) ,
но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.
Что же делать? Ньютон не успел больше ничего совершить, и Мир ждал появления следующего гения – Эйнштейна.
Вселенная Эйнштейна
Эйнштейн рассмотрел Вселенную, которая также была стационарной, изотропной и однородной (как у Ньютона). Чтобы уравновесить силы притяжения, ввел новую силу — силу отталкивания.
Теперь Вещество во Вселенной удерживается двумя силами — притяжения и отталкивания.
Строгое математическое решение сформулированной задачи показало нетривиальный результат:
Вселенная может быть стационарной, но если только она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна.
Как же тело может быть конечным, но не иметь границ?
Возьмите сферу — площадь ее конечна, но как определить границу сферы? Ее нет. По аналогии можно представить себе, что существует некое четырехмерное пространство (какой-то гипершар), где наша Вселенная служит трехмерной границей гипершара. Если на Земле вы, двигаясь по меридиану из любой точки, вернетесь в ту же точку, то и во Вселенной Эйнштейна, двигаясь “по прямой”, вы окажетесь в исходной точке.
Но что это за таинственные силы отталкивания и нужны ли они?
Что знали ученые о Вселенной в 20-х годах XX века? Результаты наблюдательной астрономии позволили ученым утверждать, что Вселенная в целом однородна и изотропна.
Но если это так, то почему ночью темно, а не светло как днем?
Действительно, рассмотрим, сколько света поступает от звезд.
Разделим Вселенную на отдельные слои.
Количество звезд N в слое : N
4 * p * R 2
Но светимость: Q
1 / R 2
Два слоя на расстоянии R 1 и R 2 от Земли.
В первом слое: N 1 и общая светимость Q 1
N 1 / R 1 2 .
Светимость второго слоя Q 2
N 2 / R 2 2 .
Ясно, что Q 1 = Q 2 .
Поскольку слоев бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем — вот о чем говорит парадокс Ольберса.
Что же делать? Опять ждать гения? Но может быть, стоит и самим чуточку подумать?
Исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна и постоянна.
Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя.
Делаем вывод, что либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем.
И здесь на помощь приходит еще один гений — американский астроном Хаббл
В 1929 г. Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” — наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными.
И он получил следующую картину:
Скорость (v) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением (Э. Хаббл, 1929)
v=HR
Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет около 70 км/с Мпк.
Наблюдаемое Хабблом красное смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.
Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.
Ура (ликуют все жители Земли), значит, Земля (точнее, наша галактика) является центром Вселенной?
Ликование было недолгим, потому что опять вмешивается наш разум и приводит простую аналогию с воздушным шариком.
Будем надувать воздушный шарик с нарисованными на нем точками 1, 2, 3.
Происходит “разбегание” точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при увеличении его размеров.
Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?
На помощь снова приходит гениальный ученый – теперь это русский ученый Фридман
В начале 20-х годов он предложил модель нестационарной Вселенной.
Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит был момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки. Обратите внимание, что здесь самое главное – это временная шкала, мы приходим к выводу о моменте рождения Вселенной.
Конечно, мы получаем также свидетельство, что Вселенная была в точке (в математическом смысле, а вспомните, что есть точка в математике?), но реально никакой точки не было.
Но почему галактики разбегаются. Предположим, что в начальный момент времени уже были галактики и занимали какое-то пространство.
Предположим также, что в начальный момент галактики были в покое, т.е. их скорость v=0. Тогда галактики будут притягиваются друг к другу и Вселенная будет сжиматься.
Но если в начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение «тормозит» их движение).
Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно из S=vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной — примерно 15 млрд лет тому назад.
Итак, был начальный момент, когда произошел «Большой Взрыв»
(Детский вопросик – Что, где и когда взорвалось?)
Иными словами, после «взрыва» частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный и частицы начнут сближаться. Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной — чем больше плотность, тем больше силы F тяг . Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности r Вселенной. Открытая модель соответствует r r кр . Обратное неравенство справедливо для закрытой модели. По современным данным, критическая плотность вещества составляет r кр = 5х10 -30 г/см 3 . Примерно такое же значение дают оценки плотности вещества во Вселенной.
Изменение размера R Вселенной с течением времени t для Вселенной с разной плотностью.
Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:
Неужели все так просто и ясно? Что же еще ученым надо, и что они делали после этого еще 70 лет?
Однако в последнее время появились новые астрономические данные, проливающие свет на современное состояние Вселенной и на ее будущее. Подробнее см. тему 5.
Спасибо, что осилили сложную тему.
Мне кажется, что теперь вы в состоянии создать такую фигуру: 
Источник
Вселенная вместо ничто
Как Андрей Сахаров отвечал на вопрос о причине существования материи
Красивый вопрос о том, почему вообще все существует, будто бы относится к разряду философских — но это, в определенном смысле, дело формулировок. Физики же вместо того, чтобы вопрошать о том, «почему вообще есть сущее, а не наоборот, ничто», предпочитают использовать словосочетание «барионная асимметрия», за которым стоит заметное преобладание вещества над антивеществом в видимой части Вселенной. Одна из ключевых статей, посвященная этому вопросу, принадлежит Андрею Сахарову, имя которого обычно ассоциируется совсем с другими вещами: правозащитной деятельностью и созданием водородной бомбы. В этом материале мы попробуем объяснить, в чем была суть этой работы и почему ее считают значимой, а какие последствия она имела для космологии и физики элементарных частиц, мы попросили прокомментировать физика Валерия Рубакова.
Андрей Сахаров в 1989 году
RIA Novosti archive, image #25981 / Vladimir Fedorenko / CC-BY-SA 3.0
Второй вопрос — о какой асимметрии мы тут говорим. Барион, как и любая квантовая частица, описывается набором числовых квантовых параметров, которые полностью характеризуют его физические свойства. В данном контексте наиболее важный из них — это так называемый барионный заряд — квантовая характеристика, которая определяется через число кварков и антикварков в системе. Именно знак барионного заряда кварков (плюс) отличает вещество от антивещества (у него знак барионного заряда — минус). Если бы частиц с противоположными знаками заряда во Вселенной было поровну, то вещества было бы ровно столько же, сколько и антивещества. В этом случае они бы проаннигилировали, и Вселенная действительно превратилась бы в ничто. Но почему-то Вселенная развивалась так, что вещества в ней сейчас значительно больше, чем антивещества (подробнее о нем вы можете прочитать в нашем материале «C точностью до наоборот»).
Атомы водорода (на переднем плане) и антиводорода (на заднем плане). Как видно, водород состоит из протона и электрона, а антиводород — из антипротона и позитрона
Если мы проведем над частицей операцию зарядового сопряжения (то есть поменяем знак заряда на противоположный), превратив тем самым вещество в антивещество, и она после этого будет подчиняться тем же законам физики, что и до преобразования, то ее в таком случае называют C-симметричной. Такое свойство характерно для электромагнитного и сильного взаимодействия элементарных частиц. Аналогичные преобразования можно провести не только с зарядом, но и с другими категориями: если физические законы, действующие на систему, продолжат выполняться после зеркальной инверсии пространства, это мы будем называть P-симметрией (или симметрией относительно «четности» системы), а такое же сохранение законов после обращения времени вспять — Т-симметрией.
При этом зеркалить таким образом физическую систему можно и относительно нескольких категорий одновременно: тогда мы будем говорить о CP-, TP- или CPT-симметрии. Выполнение симметрии приводит к инвариантности физической системы относительно выбранных категорий (этот термин нам тоже понадобится позже).
Кроме барионов, нам для разговора о том, почему материя в нашей Вселенной вообще существует, понадобится еще несколько элементарных частиц: лептоны (электрически заряженные легкие частицы с полуцелым спином, которые не участвуют в сильном взаимодействии, — это отрицательно заряженные электроны и менее стабильные мюоны, — а также нейтрино — незаряженные легкие частицы, участвующие в слабом взаимодействии) и их античастицы.
Элементарные частицы и их взаимодействия в рамках Стандартной модели. В черных овалах — частицы, синие кривые — взаимодействия между ними. По углам расположены частицы материи (лептоны и кварки), между ними — переносчики взаимодействия: фотон (электромагнитное), глюон (сильное), W- и Z-бозоны (слабое) и бозон Хиггса
Eric Drexler / Wikimedia commons / CC0
Почему Вселенная
В 1964 году Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсдон Фитч показали, что в мироздании действительно есть «трещинка для сущего», и в некоторых случаях слабого взаимодействия CP-инвариантность может нарушаться (в 1980 году за это открытие им присудили Нобелевскую премию). Поскольку для электромагнитного и сильного взаимодействий CP-инвариантность выполняется всегда, то почему она может не выполняться для слабого, было непонятно. Не до конца понятными были и последствия этого нарушения для космологических теорий и теорий взаимодействия элементарных частиц.
Фейнмановская диаграмма, демонстрирующая превращение антикаон в каон. Кварки в каонах при этом обмениваются двумя W-бозонами. Этот процесс наблюдали Кронин и Фитч
Maksim, NikNaks / Wikimedia commons / CC BY-SA 3.0
Именно работа Сахарова стала первой, где вопрос о причинах возникновения этой асимметрии был поставлен явным образом.
Валерий Рубаков: «Вопрос о происхождении барионной асимметрии — очень фундаментальный. Во Вселенной не так много характеристик и свойств такого класса. Фактически происхождение барионной асимметрии и механизм образования структур во Вселенной (галактик и их скоплений) были в середине 1960-х годов двумя главными вопросами. Сейчас к ним добавилась темная материя и темная энергия — и это, наверно, самый сложный вопрос. У Вселенной вообще не так много фундаментальных характеристик, которые требуют анализа и конкретных объяснений.
Кроме того, это была одна из первых статей, где начала становиться понятной связь физики микромира и космологии. Что, конечно, очень нетривиально: фактически эта идея требует, чтобы были увязаны микроскопические механизмы физики элементарных частиц и макроскопические свойства Вселенной. Это, конечно, в результате оказалось очень плодотворным».
Одна из сложностей при объяснении этого явления — фантастическая устойчивость протонов. По современным экспериментальным данным, время жизни протона в нынешних условиях составляет не меньше, чем 10 33 лет — это хотя и не вечность, но на много порядков больше возраста самой Вселенной.
Стабильность протона как раз и объясняется сохранением барионного заряда (или, что то же самое, барионного числа) во всех наблюдаемых физических процессах. Согласно современным представлениям, это число остается постоянным для всех типов взаимодействий, а чтобы барионная асимметрия возникла — оно должно перестать сохраняться. Какие условия и причины для этого нужны — абсолютно непонятно.
Условия Сахарова
Частицы, из которых сейчас состоят атомные ядра, фантастически стабильны — и значит, асимметрия между веществом и антивеществом не могла медленно развиваться при взрослении Вселенной. То есть она либо заложена в каких-то фундаментальных принципах, по которым Вселенная построена, либо стала результатом какого-то процесса в условиях сильной неустойчивости в «младенчестве» Вселенной, когда энергии были совсем другие.
Сахаров выбрал сочетание этих двух идей и описал сценарий, в котором барионная асимметрия рождается в условиях очень ранней Вселенной из-за нарушения CP-симметрии. Очень высокие температура и плотность частиц принципиальным образом изменили механизм взаимодействия барионов между собой и фактически включили в игру какие-то новые взаимодействия.
Валерий Рубаков: «В статье Сахарова есть две части. Одна – это общие необходимые условия образования барионной асимметрии. Он их очень сжато сформулировал, но они абсолютно правильные. Практически все последующие работы в этом направлении, так или иначе, основывались на этих положениях.
Вторая часть менее актуальна. Это попытки построить конкретные механизмы физики частиц, которые бы приводили к генерации барионной асимметрии. Хотя идеи, которые там есть, тоже, в общем, в той или иной форме эксплуатируются. Например, сейчас немножечко ушли от максимонов, про которые писал Сахаров. Это не значит, что это неправильно. Просто сейчас есть более понятные и, кажется, более обоснованные механизмы. Но поскольку ответ на вопросы, как это всё произошло и как возникла барионная асимметрия, неизвестен, то говорить о том, какие теории более правдоподобны, а какие менее – это вопрос вкуса».
В первой части статьи ученый сформулировал три базовых правила, выполнение которых необходимо, чтобы материи во Вселенной оказалось больше, чем антиматерии. Сегодня их называют условиями Сахарова.
Условие #1. Барионное число в этой Вселенной должно изменяться.
Сахаров предположил, что «вечные» в наше время протоны могли распадаться при расширении горячей Вселенной, которое происходило нестационарно (то есть его динамика со временем менялась). В таких условиях кварки в составе протонов могли превращаться в мюоны — ученый счел, что это происходило по механизму трехбозонного взаимодействия (то есть кроме кварка и мюона в реакции должен участвовать еще один бозон) — соответственно, барионное число во Вселенной менялось.
Схема трехчастичного распада протона на кварки с превращением бозона в мюон из статьи Сахарова. Сегодня этот сценарий считается скорее экзотическим
А. Д. Сахаров / Письма в ЖЭТФ, 1967
Условие #2. C- и CP-инвариантность в этой Вселенной должны нарушаться.
Чтобы возникла барионная асимметрия, необходимо то или иное нарушение инвариантности относительно инверсии заряда элементарных частиц. Про нарушение P-симметрии (относительно четности) для слабого взаимодействия было известно довольно давно, но этот эффект пространственный и решить проблему, связанную с барионным зарядом, не очень помогает. А вот открытое Кронином и Фитчем нарушение CP-инвариантности вводит в игру и заряд. Еще одним подтверждением возможности такого нарушения для Сахарова стала теоретическая работа Сусумо Окубо 1958 года, в которой описывался распад сигма-гиперонов.
И именно нарушение CP-инвариантности приводит к возникновению C-асимметрии, которую ученый даже оценил качественно, предположив, что для нейтрино она должна составлять от 10 -10 до 10 -8 .
Условие #3. Во Вселенной во время генерации барионной асимметрии не должно быть теплового равновесия.
Третье условие Сахарова — отсутствие теплового равновесия на сверхплотной стадии расширения горячей Вселенной (то есть присутствие нестационарных процессов). К нему приводит распад тяжелых частиц, и в результате нестационарность становится причиной движения в сторону асимметрии, а не наоборот, как было бы в условиях стационарности.
Эти условия оказались сформулированы очень точно: затем они подтвердились многочисленными теоретическими работами. И заметно повлияли на дальнейшее развитие как космологических теорий, так и теорий взаимодействия элементарных частиц.
Полвека спустя
В условиях обычной физики — той, которую мы наблюдаем во Вселенной сейчас, процессы с нарушением барионного числа просто невозможны. Оно сохраняется всегда с очень высокой точностью. А условия, которые, согласно теоретическим предсказаниям, могли бы привести к нарушению этого правила, пока реализовать на Земле не удается. Для экспериментальной проверки этих гипотез нужны такие энергии столкновения частиц, такие массы этих частиц и такие температуры, которые намного выше доступных сейчас на современных коллайдерах.
Валерий Рубаков: «Уже существенно позже, в 85-ом году, мы с моими коллегами, Вадимом Кузьминым и Михаилом Шапошниковым, поняли, что при высоких температурах в Стандартной модели прямо происходит нарушение барионного числа совместно с нарушением лептонных чисел. Это открыло возможность построения таких механизмов генерации барионной асимметрии, которые происходят за счет нарушения лептонных чисел и частичной переработки в рамках Стандартной модели этих лептонных чисел в барионное число при высоких температурах. Причем тут речь идет не о безумно высоких температурах, порядка сотни гигаэлектронвольт. Поэтому по-прежнему остается надежда, что или существующие коллайдеры или, может быть, коллайдеры следующего поколения все-таки позволят выяснить, какой же был механизм генерации барионной асимметрии. Сейчас достаточно активно обсуждается возможность обнаружения на коллайдерах (или вообще в ускорительных экспериментах) новых частиц, которые ответственны за генерацию барионной асимметрии.
Ещё тут есть очень интересная ниточка к нейтринным осцилляциям, к нарушению лептонных чисел в нейтринном секторе и взаимопревращению нейтрино одного типа в другой. Эти процессы с нейтринными осцилляциями происходят с нарушением лептонных чисел, а нарушение лептонных чисел (если оно происходило достаточно интенсивно в ранней Вселенной) могло приводить и к генерации лептонной асимметрии. А дальше уже — известен механизм, который перерабатывает лептонную асимметрию в барионную. Не исключено, что первые косвенные результаты, которые свидетельствуют о том, как происходила генерация барионной асимметрии, связаны с обнаружением нейтринных осцилляций. Вот такой вот неожиданный поворот».
Источник