Спросите Итана №76: очень ранняя Вселенная

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-76-the-very-early-universe-a7f606041c6f#.zbtqo3u6g
  • Перевод

Что происходило, когда всё было настолько горячее, что материя и антиматерия образовывались спонтанно?


Из специальной теории относительности вытекает, что масса и энергия являются разными проявлениями одного и того же – концепция, среднему уму незнакомая.
— Альберт Эйнштейн

Каждую неделю у вас есть возможность отправлять вопросы и пожелания, чтобы стать звездой нашей ежедневной колонки. На этой неделе мы переносимся на самые ранние стадии Большого взрыва благодаря Уэйну Кингу, который спрашивает:

Есть период, о котором мы знаем немного, это период аннигиляции частиц и античастиц. Было ли это “материей” в смысле протонов и позитронов? И что случилось с нейтронами? Или это была какая-то форма уплотнённой энергии из области квантовой хромодинамики? Как она появлялась? Оставалось ли что-либо в процессе аннигиляции? Сколько энергии выделялось, и куда она делась?
Большинство авторов просто ограничиваются общими отписками, описывая эту тему.

О чём же толкует Уэйн? Начнём с сегодняшнего состояния Вселенной, и нажмём «перемотку» назад.



Сегодняшняя Вселенная заполнена звёздами, связанными в гигантские галактические структуры, и на больших масштабах – в группы, кластеры и пересекающиеся нити. В той части, что можем наблюдать мы, существует не менее сотен миллиардов галактик, разбросанных на расстояниях в десятки миллиардов световых лет.

Но как Вселенная стала такой? Она расширялась из более плотного, сжатого, однородного и горячего состояния. Сейчас всё так далеко разбросано, поскольку Вселенная расширялась очень долго.



Экстраполируя назад, мы обнаружим, что не очень важный сегодня параметр – температура Вселенной, составляющая всего 2,7 К – влияет на Вселенную всё больше. При низкой плотности и энергии эти оставшиеся фотоны ни на что не влияют, только отображаются в виде «снега» на третьем канале, если вы всё ещё используете аналоговое ТВ с антенной-усиками.



Но когда Вселенная была моложе и меньше, эти фотоны были не только более плотными, поскольку объём Вселенной был меньше, но и более горячими, поскольку длина волны фотона определяет его энергию. Экстраполируя назад, мы увидим, как микроволновое излучение превращается в инфракрасное, температура растёт от нескольких градусов выше абсолютного нуля до двузначных чисел, трехзначных, затем превосходит комнатную температуру, точку кипения воды, и начинает состязаться с температурой горящей звезды. В какой-то момент всё становится таким горячим, что даже нейтральные атомы не могут образовываться, поскольку формирующие их электроны выбиваются с орбит морем фотонов.



Если отмотать ещё немного, мы прибудем в момент, когда ядра атомов не могут формироваться, поскольку их разбивает на отдельные протоны и нейтроны. И, в результате, мы можем так далеко зайти во времени, когда Вселенная была возрастом лишь в одну секунду, а фотоны были настолько энергичными, что материя и антиматерия могли спонтанно появляться в равных количествах. До того, как Вселенная расширилась и охладилась, перейдя через эту фазу, она представляла собою всего лишь «суп» из материи, антиматерии и излучения, в котором спонтанная аннигиляция материи и антиматерии в чистую энергию была сбалансирована спонтанным появлением частиц материи и антиматерии из чистой энергии. Самое знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc2, работает в обе стороны.



Чем выше у вас энергия, тем более тяжёлые пары частиц вы можете спонтанно сотворить. Отмотав назад достаточно далеко, когда средняя энергия во Вселенной была достаточно большой для создания пар истинных-антиистинных кварков (самой тяжёлой известной частицы), мы увидим, что тогда фотонов было гораздо меньше, чем сейчас.

Отчего же?

Всё потому, что пара частица-античастица может аннигилировать с образованием двух фотонов, а при достаточно высоких энергиях фотоны могут взаимодействовать с возникновением пары частица-античастица!



И хотя сегодня существует определённое количество фотонов, представьте себе все фундаментальные частицы из Стандартной модели, как массивные, так и безмассовые. Все шесть кварков и антикварков, по три цвета каждого, три заряженных лептона, три нейтрино, вместе с их античастицами, восемь глюонов, три слабых бозона, фотон и бозон Хиггса, со всеми разрешённых конфигурациями спинов.



Вместо только лишь фотонов, эта энергия распределяется между всеми видами частиц поровну. (В соответствии с распределением энергии Максвелла-Больцмана и соответствующей статистикой: Ферми-Дирака для фермионов и Бозе-Эйнштейна для бозонов). Когда энергия и температура достаточно высокие, аннигиляция частиц/античастиц происходит всё время, но с той же частотой, как и создание частиц/античастиц.

По мере расширения и охлаждения Вселенной частота аннигиляций падает, поскольку частицам становится тяжелее находить свои античастицы, но частота создания падает ещё больше – энергия падает ниже пороговой, необходимой для создания, в результате чего частота создания пар экспоненциально уменьшается.



К счастью, практически всё нестабильно, поэтому вот что происходит по мере расширения и охлаждения Вселенной (по порядку) от состояния «моря», в котором всего (частиц и античастиц всех видов) плавает достаточно:
  • Перестают появляться пары истинных-антиистинных кварков, а оставшиеся аннигилируют или распадаются.
  • Перестают появляться пары бозонов Хиггса, а оставшиеся аннигилируют или распадаются. Это примерно совпадает с нарушением электрослабой симметрии.
  • Перестают спонтанно появляться Z_0, а большинство оставшихся распадаются.
  • Перестают появляться пары W+/W-, а большинство оставшихся распадаются.
  • Перестают появляться пары нижний/антинижний, тау/антитау, очарованные/антиочарованные кварки, а оставшиеся аннигилируют и/или распадаются.


Во всех случаях аннигиляция или распад более массивных частиц приводит к разогреву всех оставшихся.

Затем происходит нечто интересное: до того, как Вселенная охлаждается до следующего порогового значения, чтобы остановить производство странных/антистранных кварков, она делается достаточно разреженной и холодной для того, чтобы перейти от кварк-глюонной плазмы к отдельным барионам (комбинациям из трёх кварков), антибарионам (комбинациям из трёх антикварков), и мезонам (комбинациям из кварков и антикварков). И тут впервые случается конфайнмент.



После этого происходят следующие аннигиляции и распады:
  • распадаются/аннигилируют все частицы, содержащие странные/антистранные кварки;
  • распадаются/аннигилируют все нестабильные барионы, антибарионы и мезоны (кроме нейтрона, антинейтрона и заряженных пионов);
  • аннигилируют нейтроны/антинейтроны и протоны/антипротоны, оставляя после себя немного протонов и нейтронов, представляющих асимметрию материи/антиматерии;
  • останавливается создание заряженных пионов, и они аннигилируют/распадаются;
  • останавливается создание мюонов/антимюонов, и они аннигилируют/распадаются.


В этот момент во Вселенной остаётся только небольшое количество протонов и нейтронов, большое количество пар электронов и позитронов, нейтрино/антинейтрино и фотонов. Да, и ещё тёмная материя, из чего бы она ни состояла (а она присутствовала всегда), которая, по нашим предположениям, не взаимодействует с другими частицами.

Вы можете решить, что дальше происходит аннигиляция электронов/позитронов, но сначала происходят два других события.



Сначала протоны и нейтроны играют в игру: протоны пытаются комбинироваться с электронами, чтобы образовать нейтроны и нейтрино, а нейтроны и нейтрино пытаются идти в другую сторону, производя протоны и электроны. Также протоны и антинейтрино могут комбинироваться и создавать нейтроны и позитроны, а также возможна и обратная реакция. За несколько миллисекунд, что для нашей истории является приличным временным промежутком, эти реакции происходят с одинаковой частотой. Но при уменьшении энергии и температуры небольшая разница в массах между протоном и нейтроном начинает сказываться, и реакциям с созданием протонов из нейтронов становится идти немного легче, чем реакциям с созданием нейтронов из протонов. Ко времени, когда возраст Вселенной приближается к секунде, отношение протонов и нейтронов изменяется в ней от 50/50 до 85/15 в пользу протонов.



Затем слабые взаимодействия – взаимодействия, позволяющие нейтрино обмениваться энергией с другими типами частиц, и позволяющие происходить переходам между фотонами и нейтронами, замораживаются. Это значит, что частота взаимодействий, энергия и эффективное поперечное сечения становятся слишком малыми для того, чтобы нейтрино и антинейтрино участвовали в происходящих в космосе реакциях. До этого момента электроны/позитроны, нейтрино/антинейтрино и фотоны все получали пропорциональную долю энергии с аннигиляций. Но когда нейтрино и антинейтрино замораживаются, они перестают участвовать в этой игре.



И вот, когда случается финальная фаза аннигиляции, когда Вселенная охлаждается настолько, что пары электрон/позитрон уже не создаются, и просто аннигилируют, оставляя достаточно электронов, чтобы те скомпенсировали электрический заряд протонов), они сливают всю энергию в фотоны, а не в нейтрино и антинейтрино.

Поэтому температура микроволнового космического фонового излучения – фона фотонов, оставшихся после Большого взрыва – измеряется в 2,725 К, а температура фона оставшихся нейтрино должна быть в районе 1,95 К или, точнее, (4/11)1/3 от температуры фотонов.



А также из-за этого – после трёх минут с мелочью – часть из оставшихся нейтрино распалась, подняв соотношение протонов к нейтронам до ~ 87,6/12,4. На этом шаге фотоны, наконец, охладились достаточно для того, чтобы могло начаться формирование первых элементов тяжелее водорода – нуклеосинтез Большого взрыва. Поэтому у нас и получилось именно такое соотношение водорода и гелия после Большого взрыва: из-за сыгранных всеми этими частицами на ранних стадиях Вселенной ролей.



Когда-нибудь я надеюсь сообщить вам об обнаружении космического фона нейтрино. В прошлом месяце об его обнаружении объявили на встрече AAS, но работы на эту тему пока не появлялось. Я думаю, что я привёл максимально возможное количество информации с тем, чтобы не превращать вас в теоретических физиков, и надеюсь, что статья была хорошо сбалансирована для удовлетворения ваших потребностей. Пока что это наилучшая из историй появления частиц во Вселенной и их поведения на ранних стадиях горячего Большого взрыва, а затем – во время охлаждения, аннигиляции и распада.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 12
    +1
    А кто такой Итан?
      +5
      Хороший вопрос, stDistarik
      Действительно, кто такой Итан?
      Дело в том, что наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла примерно 13,77 млрд лет назад. До того, как Вселенная заполнилась материей, излучением, нейтрино, тёмной материей или любыми другими частицами, она очень быстро расширялась. Энергия, содержавшаяся в ней, была присуща самому пространству-времени. Это был начальный период инфляции, который мы называем Большим взрывом, и который привел к появлению того, что мы называем нашей Вселенной. В это время происходили квантовые флюктуации, но они не могли взаимодействовать друг с другом из-за слишком быстрого расширения, несмотря на то, что происходили со скоростью света. Судя по всему, расширение было равномерным и шло во все стороны.
      Скорость расширения могла бы быть недостаточно большой для того количества материи и энергии, которое в ней присутствует. Это значит, что Вселенная расширялась бы некий достаточно короткий промежуток времени, достигла бы максимального размера, а затем начала бы сжиматься. Было бы некорректно, хотя и очень хочется, сказать, что она сколлапсировала бы в чёрную дыру, поскольку само пространство сжималось бы вместе с материей и энергией, и породило бы сингулярность под названием Большое сжатие (Большой хруст, Big Crunch).

      Простите :)
        0
        Да бох с ней, со вселенной, кто в этой притче Итан?
          0
          просто гугли Ethan Siegel — приведёт в его блог, там есть инфа кто и что он такое
            0
            Аватарки у него адовые, конечно.
              0
              Это же Эркюль Пуаро… http://portlandtribune.com/images/artimg/00003471355785.jpg
          0
          Ха-ха. Ну это вообще в тему. Сколько читаю эти «спроси Итана» и ведь действительно он на любой вопрос начинает отвечать про возникновение Вселенной на почти весь объем темы и только в конце одним предложением отвечает на вопрос.
        +2
        Интересно, зачем почти в каждый пост «Спросите Итана» пихать картинку с воздушными шарами? ИМХО уж лучше меньше иллюстраций, чем одни и те же кочующие из поста в пост.
          0
          Наверное, чтоб всегда был подобный комментарий, кочующий из поста в пост.

          В целом, согласен. Хуже только изображения, без пояснения или легенды к которым ничего не ясно. Но этих пояснений никогда нет. Такое ощущение, будто такие фотки просто рандомно накиданы, чтоб пост нескучный был.
          0
          Перестаньте спрашивать Итана об одном и том же, пожалуйста.
            0
            Хороший вопрос stDistarik.
            Действительно, а кто такой Итан?
            Дело в том, что наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла примерно 13,77 млрд лет назад. До того, как Вселенная заполнилась материей, излучением, нейтрино, тёмной материей или любыми другими частицами, она очень быстро расширялась. Энергия, содержавшаяся в ней, была присуща самому пространству-времени. Это был начальный период инфляции, который мы называем Большим взрывом, и который привел к появлению того, что мы называем нашей Вселенной. В это время происходили квантовые флюктуации, но они не могли взаимодействовать друг с другом из-за слишком быстрого расширения, несмотря на то, что происходили со скоростью света. Судя по всему, расширение было равномерным и шло во все стороны.
            Скорость расширения могла бы быть недостаточно большой для того количества материи и энергии, которое в ней присутствует. Это значит, что Вселенная расширялась бы некий достаточно короткий промежуток времени, достигла бы максимального размера, а затем начала бы сжиматься. Было бы некорректно, хотя и очень хочется, сказать, что она сколлапсировала бы в чёрную дыру, поскольку само пространство сжималось бы вместе с материей и энергией, и породило бы сингулярность под названием Большое сжатие (Большой хруст, Big Crunch).
            Например, как и ответы Итана, который, когда не знает ответа на вопрос, коллапсирует в копипаст ТБВ. (с) Fen1kz
              +1
              Каждый раз перед открытием статьи Итана, можно с уверенностью сказать, что используемые в ней изображения ты уже много раз видел.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое