Лептонная эра

5.2. Лептонная эра.

Длилась примерно от t=10-4с до t=101с. К концу эры плотность порядка 107 кг/м3 при T=109К.

Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов - пионов - в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 10K, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем “реликтовыми”.

Всё пространство Вселенной наполнилось огромным количеством реликтовых электронных и мюонных нейтрино. Возникает нейтринное море.

5.3. Фотонная эра или эра излучения.

Длилась примерно от t=10-6с до t=10-4с. Плотность порядка 1017 кг/м3 при T=1012…1013К.

На смену лептонной эры пришла эра излучения, как только температура Вселенной понизилась до 10K , а энергия гамма фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации, потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества.

Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов. Важнейшей составной Вселенной после лептонной эры становятся фотоны, причем не только по количеству, но и по энергии.

Для того чтобы можно было сравнивать роль частиц и фотонов во Вселенной, была введена величина плотности энергии. Это количество энергии в 1 куб.см, точнее, среднее количество (исходя из предпосылки, что вещество во Вселенной распределено равномерно). Если сложить вместе энергию hвсех фотонов, присутствующих в 1 куб.см, то мы получим плотность энергии излучения Er. Сумма энергии покоя всех частиц в 1 куб.см является средней энергией вещества Em во Вселенной.

Вследствие расширения Вселенной понижалась плотность энергии фотонов и частиц. С увеличением расстояния во Вселенной в два раза, объём увеличился в восемь раз. Иными словами, плотность частиц и фотонов понизилась в восемь раз. Но фотоны в процессе расширения ведут себя иначе, чем частицы. В то время как энергия покоя во время расширения Вселенной не меняется, энергия фотонов при расширении уменьшается. Фотоны понижают свою частоту колебания, словно “устают” со временем. Вследствие этого плотность энергии фотонов (Er) падает быстрее, чем плотность энергии частиц (Em).

Преобладание во вселенной фотонной составной над составной частиц (имеется в виду плотность энергии) на протяжении эры излучения уменьшалось до тех пор, пока не исчезло полностью. К этому моменту обе составные пришли в равновесие (то есть Er = Em). Кончается эра излучения и вместе с этим период “Большого Взрыва”. Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

“Большой взрыв” продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна, как в самом её начале, во время “большого взрыва”. Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции.

Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

5.4. Звездная эра.

После “Большого Взрыва” наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “Большого Взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “Большого Взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

Таким образом, эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем пепле, вглядываемся в стареющие звезды и вспоминаем красоту и блеск Вселенной. Взрыв суперновой или гигантский взрыв галактики - ничтожные явления в сравнении с большим взрывом.

6. Критика современной теории "Большого Взрыва".

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад из некоторого начального "сингулярного" состояния с бесконечно большими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Наша вселенная является реально существующим объектом, а не философским понятием, и не может быть создана из объекта, находящегося в сингулярном состоянии. Это противоречит здравому смыслу. Объект может сжиматься в сторону бесконечности, но как только сжатие закончится, у любого объекта будут реально существующие параметры.

Такое понятие, как температура, вообще неприемлемо к такому объекту. Мы ведь не считаем элементарные частицы горячими, если они не разогнаны до высоких скоростей. А элементарные частицы имеют более высокую энергию, чем фотоны. Температура - это броуновское движение молекул. Этих самых молекул у данного объекта и не было.

Согласно этой теории Большого Взрыва, дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментально параметра r - средней плотности вещества в современной Вселенной. Если r меньше некоторого (известного из теории) критического значения rc, Вселенная будет расширяться вечно; если же r > rc , то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию.

Если и сейчас вселенная расширяется, а значит плотность материи недостаточна для создания такого мощного гравитационного поля, которое заставило бы нашу вселенную сжиматься, то в будущем плотность материи станет ещё меньше, а, соответственно уменьшится и гравитационное поле. И вообще, никакого влияния гравитационного поля, на структуру вселенной не заметно. Под влиянием гравитационного поля, движение галактик, должно быть искривлено. Физики преувеличивают значение гравитации на эволюцию вселенной.

Разбегание галактик происходит равномерно по всем сторонам. Это возможно только в том случае, если наша вселенная не имеет общего центра вращения. Иначе с разных сторон, галактики бы удалялись и приближались с разной скоростью. Из закона Хаббла можно сделать вывод: «Наша вселенная не имеет общей точки вращения, а, значит, гравитационное поле не сможет заставить вселенную сжаться. Это сделают другие силы».

Все нужные сведения и закономерности из этих разделов являются надежно установленными, поэтому получаемую с их помощью информацию относительно эволюции системы можно считать вполне достоверной. Принципиальные трудности возникают лишь при попытке продвинуться еще ближе к "началу мира", т.е. внутрь первой сотой доли секунды.

Здесь явное желание выдать желаемое за действительное. Физики не только не знают первые минуты Большого Взрыва, но не могут объяснить и современное состояние вселенной. Они не знают как возникли спиральные галактики, как сохраняют свою структуру, как эти галактики эволюционируют и как становятся шаровыми галактиками. Да и какие силы могут заставить вселенную сжаться, тоже не знают. И какие силы, заставляют вселенную, расширяется, для физиков тоже тёмный лес.

По данным современной наблюдательной астрономии звезды во Вселенной группируются в галактики, которые, в свою очередь, также образуют скопления. Представление о порядках величин дают следующие цифры: наша Галактика содержит ~ 1011 звезд и имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет.

Да все спиральные галактики имеют форму линзы, а вот толщина этих "линз" прямопропорциональна термоядерным процессам, происходящим в галактиках. Этот феномен современная физика объяснить не может, так как считает, что элементарные частицы состоят из кварков. На самом деле элементарные частицы состоят из кванта энергии и вакуума, имеющего сложное строение. Именно вакуум превращает волну в корпускулу. При термояде выделяется не только энергия, но и вакуум, со всеми его структурами, в том числе и с носителем гравитационного поля. Этот тип гравитации называется «Линейным». Именно Линейная гравитация притягивает звёзды к плоскости спиральных галактик. Уменьшатся термоядерные реакции в галактике, и галактики, из спиральных, будут превращаться в шаровые.

Данные наблюдений показывают, что в крупных масштабах Вселенная однородна и изотропна. Грубо говоря, это означает, что в любой сфере с фиксированным достаточно большим диаметром (достаточным считается число ~ 300 миллионов световых лет) содержится приблизительно одинаковое число галактик. Утверждение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах принято называть Космологическим Принципом.

Однородность и изотропность вселенной никак не вяжется с взрывным процессом. Ни при одном взрыве, такого быть не может. Это возможно только в том случае, когда всё вещество вселенной, возникло по всему объёму вселенной, а не из одной точки.

Количественным итогом этих наблюдений является сформулированный в 1929 году Хабблом "закон разбегания" (формула 5), согласно которому, все галактики (в среднем) удаляются от нас, и скорость этого разбегания u приблизительно пропорциональна расстоянию R до рассматриваемой галактики.

u = RH  (5)

Если бы галактики удалялись от нас, то никакого Космологического Принципа не могло бы быть. Галактики удаляются не от нас, а друг от друга

Наглядной моделью такого разбегания может послужить надуваемый резиновый шарик с нанесенными хаотически на его поверхность точками - "галактиками": при надувании все эти точки будут удаляться друг от друга в точном соответствии с законом Хаббла.

В резиновый шарик надувают газ, а что надувается в нашу вселенную, что бы она расширялась? Точки "разбегаются на поверхности шарика (на плоскости), а наша вселенная увеличивается во всём объёме. Это хороший образ, но он не объясняет природы данного явления. К образным примерам прибегают тогда, когда нет реальных знаний. Наша вселенная увеличивается в объёме за счёт термоядерных реакций, происходящих в звёздах. Как только термоядерные реакции замедлятся, вселенная начнёт сжиматься.

Это модель "двумерного замкнутого мира". Аналогичный "открытый мир" можно представить в виде резиновой плоскости с нанесенными точками, равномерно растягивающейся во всех направлениях.

И опять это плоскость. И опять это образ. Никакое образное сравнение, не может заменить знание природы расширения вселенной. Удаление галактик связано не только с расстоянием, но и с термоядерными процессами, происходящими в галактиках.

Но уже в конце сороковых годов появились первые работы физиков-теоретиков, в которых предсказывалось, что в настоящий момент вся Вселенная должна быть заполнена равновесным электромагнитным излучением с эффективной температурой в несколько градусов Кельвина.

Это означает, что взрыв был не точечным, а равномерным по всему объёму вселенной.

Вследствие того же эффекта Доплера излучение прямо по направлению движения должно казаться немного более горячим, а в обратном направлении - более холодным. Эти небольшие (порядка 10- 3 от основной величины) вариации температуры были обнаружены экспериментально, и они имеют характерную угловую зависимость. По этим данным можно вычислить скорость движения Земли относительно этого "нового эфира", образованного фоном реликтового излучения. В итоге получается значение порядка 600 км/с.

Это уже доказательство ошибочности теории относительности Эйнштейна. Значит, в природе есть единая система отсчёта, относительно которой можно вести все измерения. Мы можем определить и скорость нашего перемещения во вселенной, и направление движения. Всё это отрицает Т О.

7. Выводы.

В пользу теории «Большого взрыва» говорят: реликтовое излучение, характер распространения химических элементов во Вселенной. Но все же остаются много неразрешенных вопросов на которые мы пока не в состоянии дать ответ.

Во-первых, теория не дает ответа на следующие вопросы:

Что заставило вещество Вселенной расширяться?

Что происходило до начала расширения, до момента сингулярности?

Конечны ли пространство и масса? Откуда они берутся.

Во-вторых, несмотря на то, что теория «Большого Взрыва» основывается на ТО, допускается разбегание некоторых частиц со скоростями, в несколько раз превышающими скорость света. Так же в теории указываются ограничения на возможную плотность вещества (не более 1097), хотя с другой стороны выдвигается гипотеза о первоначальной точечности Вселенной, а следовательно и все-таки о бесконечной плотности (т.к. масса бесконечна).

В-третьих, довольно абстрактно, альтернативно рассматриваются такие вопросы, плотно примыкающие к теории «Большого взрыва», как границы и открытость Вселенной, евклидова и неевклидова модель Вселенной.

Наконец, не находят веского фактического подтверждения (хотя по теоретическим выкладкам все получается хорошо и главное – «удобно» ) существование таких частиц как гипероны, мезоны.

То есть все методы анализа полученных данных, исследования, выдвижения гипотез осуществляются при довольно высокой степени допущений. Такая степень не позволительна для гипотезы, хотя может быть и подходит для столь глобальной теории.

Остается только верить или надеяться, что космология когда-либо заполнит эти «белые дыры», сделает свои выводы обоснованными и по возможности фактически подтвержденными.

Кстати, о «белых дырах». Вероятнее всего, именно их изучение позволит нам узнать ответы на многие вопросы, потому что существует гипотеза: именно белые дыры являются кусками первозданной сингулярности, первозданного ядра расширения.

В этом направлении, по-видимому, и стоит ждать новых открытий в данной области, т.к. данный вопрос в целом является еще не полностью изученным и требует серьёзных исследований.

8. Глоссарий.

Адроны – общее название элементарных частиц (барионов, включая все резонансы и мезоны), подверженных сильному взаимодействию (это взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер).

Античастицы – электрические частицы, масса и спин которых точно равен массе и спину данной частицы, а электрический заряд, магнитный момент и другие подобные характеристики равны по величине и противоположны по знаку тем же характеристикам частицы. Характерным свойством таких пар (частица-античастица) является их аннигиляция при столкновении и рождение их в процессах взаимодействия частиц высоких энергий.

Аннигиляция – превращение частиц и античастиц при их столкновении в другие частицы (например, протон + антипротон = np–мезонов; электрон + позитрон = nФотонов).

Барионы – «тяжёлые» элементарные частицы с массой меньше протона и спином, равным ½. К ним относят, например нуклоны (протоны и нейтроны), а так же много других частиц /см. кварки/.

Бозоны – большой класс элементарных частиц с целочисленным спином (например, фотоны со спином 1). К этому классу принадлежат мезоны, промежуточные векторные бозоны и др. частицы.

Векторные нуклоны – см. барионы.

Гамма-излучение – излучение, возникающее при торможении заряженных частиц большой энергии в веществе, аннигиляции пар и т.д.

Глюоны – гипотетические элементарные частицы (спин равен 1, масса покоя 0), обеспечивающие взаимодействие между кварками.

Лептоны – физически наиболее легкие элементарные частицы со спином ½, не имеющие барионного заряда, но обладающие лептонным зарядом; к лептонам относятся электрон, тяжелый лептон, позитрон, нейтрино, мюон, несущий электрический заряд и их античастицы.

Мезоны – нестабильные элементарные частицы с массами, промежуточными между массами протона и электрона.

Мюон - нестабильные положительно и отрицательно заряженные элементарные частицы со спином ½ и массой~207 электронных масс и временем жизни ~ 10-6С; относятся к лептонам.

Нейтрино – физически нестабильная нейтральная элементарная частица с массой, равной, по-видимому 0, и спином ½. Относится к лептонам. Возникает при бета-распаде атомных ядер и при распаде элементарных частиц; чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом.

Нейтроны – физически - электрически нейтральный элемент частицы с массой, почти равной массе протона и спином ½; входит в состав атомных ядер; в свободном состоянии нестабилен; время жизни 16 минут.

Пионы - p–мезоны – группа трех нестабильных элементарных частиц (адронов) с нулевым спином и массой около 270 электронных масс; 2 пиона (p+ и p-)несут элементарный заряд, третий (p0) электрически нейтрален; являются переносчиками ядерных сил.

Протон - стабильная элементарная частица со спином ½ и массой в 1836 электронных масс (~10-24 г), относящаяся к барионам; ядро легкого изотопа атома водорода (протия). Вместе с нейтронами протоны образуют все атомные ядра.

Электрон - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица со спином ½, массой ~ 9·10-28 г и магнитным моментом, равным магнетону Бора; относится к лептонам и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Электрон один из основных структурных элементов вещества; электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные и химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.

Список литературы

Васильев А. Н. "Эволюция вселенной", интернетовский адрес: www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoro. s/44.html

Горелов А.А. «Концепции современного естествознания» - М.:«Центр», 1998 г.

Кесарев В.В. Эволюция вещества во вселенной. - М.: Атомиздат, 1989.

Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная. – М.: Просвещение, 1993.

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной – 3-е изд., переработанное. – М.: Наука, 1993.

Ройзен И. Вселенная между мгновением и вечностью. –«Наука и жизнь», №№ 11 и 12, 1996 г.

Самсонов А.Л. «Концепция эволюционизма и теория Большого взрыва» - «Экология и жизнь», №1,2000г.

Шишлова А. «В лаборатории - десять микросекунд после Большого взрыва». - «Наука и жизнь», № 3, 2000 г.

http://spacescience.com/

www.astrolabe.ru

www.astronomynow.com/breaking.html

www.rambler.ru/sites/217000/217217.html

www.rambler.ru/sites/21792/189324.html

www.eso.org/outreach/press-rel/

10. Расчетная часть.

Задача.

При соударении α-частицы с ядром бора  произошла ядерная реакция, в результате которой образовалось два новых ядра. Одним из этих ядер было ядро атома водорода . Определить порядковый номер и массовое число второго ядра, дать символическую запись ядерной реакции и определить её энергетический эффект.

Решение.

Обозначим неизвестное ядро символом . Так как α-частица представляет собой ядро гелия , запись реакции имеет вид

++.

Применив закон сохранения числа нуклонов, получим уравнение

4+10=1+А

А=13.

Применив закон сохранения заряда, получим уравнение

2+5=1+Z

Z=6.

Следовательно, неизвестное ядро является ядром атома изотопа углерода .

Теперь мы можем записать реакцию в окончательном виде:

++.

Энергетический эффект Q ядерной реакции определяется по формуле

Q=931[(m He + m B) - (m H + m C)].

Здесь в первых круглых скобках указаны массы исходных ядер, во вторых скобках – массы ядер – продуктов реакции. При числовых подсчетах по этой формуле массы ядер заменяют массами нейтральных атомов. Возможность такой замены вытекает из следующих соображений.

Число электронов в электронной оболочке нейтрального атома равно его зарядовому числу Z. Сумма зарядовых чисел исходных ядер равна сумме зарядовых чисел ядер – продуктов реакции. Следовательно, электронные оболочки ядер гелия и бора содержат вместе столько же электронов, сколько их содержат электронные оболочки ядер углерода и водорода.

Очевидно, что при вычитании суммы масс нейтральных атомов углерода и водорода из суммы масс атомов гелия и бора массы электронов выпадут и мы получим тот же результат, как если бы брали массы ядер. Подставив массы атомов в расчетную формулу, получим

Q = 931[(4,00260 + 10,01294) - (1,00783 + 13,00335)] = 4,06 МэВ.

Ответ:

Второе ядро – ядро атома изотопа углерода .

Символическая запись ядерной реакции:

++.

Энергетический эффект Q ядерной реакции 4,06 МэВ.