Концепции современного естествознания

Элементарные частицы. Происхождение Вселенной

В модели горячей Вселенной особенную проработку получили самые первые доли секунды ее существования. Детальные расчеты процессов проводилась с использованием быстродействующих ЭВМ с большими объемами памяти.
Модели горячей Вселенной начальную стадию ее образования делят на четыре "эры", для каждой из которых можно выделить преобладающую форму существования материи, определяющую их названия. Схематичное описание последовательности процессов, протекавших во Вселенной, дается ниже.

В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001с была велика энергия гамма-квантов. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существенны все четыре вида фундаментальных взаимодействий. Названия первых эр соответствуют процессам, протекающим в эти интервалы времени.


Адронная эра - эра тяжелых частиц и мезонов: плотность d > 1014 (г/см3), температура Т > 1012К, время t < 0,0001с. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последовательно гипероны, нуклоны, k- и p-мезоны и их античастицы.


Лептонная эра имела продолжительность 0,0001с< t < 10с, при этом температура заключалась в пределах:1010К < Т < 1012К; плотность: 104 < d < 1014 (г/см3). Основную роль играли лептоны, принимавшие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино. Избыточные мюоны распались на электроны, электронные антинейтрино и мюонные нейтрино. В конце эры лептонов происходила аннигиляция электронов и позитронов. Спустя 0,2с Вселенная стала прозрачной для электронных нейтрино, и они перестали взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино (космологические нейтрино) сохранились до нашего времени, но температура их должна снизиться до 2К. Через время ~1с после начала расширения Вселенной ее температура упала до 1010К. Плотность частиц в космической плазме уменьшилась, и нейтрино стали редко сталкиваться с другими частицами. В результате горячий нейтринный газ, содержащий все три сорта нейтрино (и антинейтрино), "оторвался" от вещества и, расширяясь вместе с Вселенной, стал остывать как независимый, не взаимодействующий с веществом компонент. Согласно модели горячей Вселенной, в настоящее время его температура составляет всего лишь 1,9-2,1К. Это означает, что в среднем в 1см3 космического пространства содержится от 300 до 400 нейтрино всех сортов (включая антинейтрино) со средней энергией каждой частицы (5-6)10-4эВ. Тем не менее наличие реликтовых нейтрино (косвенно подтверждаемое измерениями реликтовых фотонов аналогичного происхождения) позволяет получить ряд выводов о свойствах нейтрино и их возможной роли в астрофизике.
На ранних стадиях расширения Вселенной при высоких температурах (kT>3МэВ) и соответствующих плотностях плазмы нейтрино находились в равновесии с плазмой и излучением. С понижением температуры в ходе расширения взаимодействие нейтрино с плазмой практически прекратилось (как из-за уменьшения плотности плазмы, так и из-за уменьшения сечения взаимодействия нейтрино с веществом, обусловленного уменьшением средней энергии нейтрино), после чего концентрация реликтовых (оставшихся от ранних стадий расширения) нейтрино изменялась только за счет расширения Вселенной. Исходя из этих соображений, С. С. Герштейн и Я. Б. Зельдович в 1966г. указали, что в рамках теории горячей Вселенной современная средняя концентрация реликтовых нейтрино Nn сравнима по величине с концентрацией реликтовых фотонов Ng.


Фотонная эра продолжительностью 1 млн. лет следовала за лептонной. Основная доля массы-энергии Вселенной приходилась на фотоны, которые еще взаимодействовали с веществом. В первые 5 минут эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры имели место взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры избыток протонов составил 15 %.


Эре излучения соответствовали температуры: 3000К < Т < 1010К; плотности: 10-21 < d < 104(г/см3), нейтроны захватывались протонами, и происходило образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3000 К, плотность уменьшилась на 5-6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной, и пришла новая эра - эра вещества. В конце эры доминирующими стали процессы образования вещества Вселенной.


В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т приблизительно равной 3000К, а плотность d порядка 10-21 г/см3. Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.


Нейтрино во Вселенной.


Гипотеза о существовании нейтрино была предложена в 1930г. В. Паули для того, чтобы "спасти" закон сохранения энергии в b-распаде. Испускание вместе с электроном легкой, нейтральной, слабо взаимодействующей с веществом и потому не регистрируемой в опытах частицы обеспечивало сохранение энергии и момента количества движения в b-распаде
Характерной особенностью нейтрино является его большая проникающая способность. Например, нейтрино с энергией 1МэВ имеет в свинце длину свободного пробега ~1020см (~100св.лет). Выделение одиночных событий взаимодействия при прохождении интенсивных потоков нейтрино сквозь большую массу вещества составляет основную сложность нейтринного эксперимента. Впервые такие события, подтвердившие существование нейтрино, были зарегистрированы в 1953г. американскими учеными Ф.Рейном и К.Коуэном. С ростом энергии нейтрино вероятность его взаимодействия с веществом возрастает. На современных ускорителях получают потоки нейтрино с энергиями в сотни ГэВ, что позволяет наблюдать в многотонных нейтринных детекторах сотни тысяч событий взаимодействия нейтрино.
Нейтрино естественного происхождения во Вселенной имеют три принципиально различающихся по своей природе источника:


1.Реликтовые или космологические нейтрино. Несмотря на теоретически предсказанную большую концентрацию реликтовых нейтрино в "пустом" пространстве (300-400 в 1см3), пока нет надежного метода их детектирования.


2.Потоки нейтрино, генерируемые при гравитационных коллапсах звезд. Они отличаются от солнечных нейтрино, во-первых, большими энергиями (средняя энергия 10-15 МэВ) и, во-вторых, наличием ne (солнечные нейтрино представлены исключительно электронными нейтрино). ne очень эффективно регистрируются в жидких сцинтилляционных детекторах благодаря образованию позитрона. Оценка по частоте вспышек сверхновых звезд и образованию нейтронных звезд позволяют надеяться, что коллапсы звезд в Галактике происходят не реже чем каждые 10-30 лет.


3.В обычных звездах, типа Солнца, нейтрино рождаются в ядерных реакциях, обеспечивающих наблюдаемую светимость звезд. При взрывах сверхновых звезд и звездных гравитационных коллапсах температура в центре звезды поднимается настолько, что рождаются позитроны и даже p-мезоны (пионы) и мюоны. Вычисления нейтринного потока для стандартной солнечной модели, выполненные Дж. Бакаллом (США), дают величину 7,6+3,3 SNU(солнечных нейтринных единиц), в то время как измеренный на установке Дейвиса (США, 1981) поток нейтрино с энергией выше 0,814 МэВ составляет 1,8+0,3 SNU. Расхождение предсказываемого и измеренного значений может объясняться двумя общими причинами: А) более сложными процессами в Солнце, не отраженными в принятых моделях Солнца; эти процессы могут уменьшать поток нейтрино в высокоэнергетической части спектра (экстремальная возможность такого рода - это наличие другого источника энергии в Солнце, например, маленькой черной дыры); Б) свойствами нейтрино (например, нейтринными осцилляциями, представление о которых впервые введено советским ученым Б. М. Понтекорво в 1957 г., или распадом ne на пути от Солнца до Земли). Наиболее правдоподобные возможности модификации стандартной солнечной модели связаны с солнечными колебаниями и (или) периодическим уменьшением температуры в центре Солнца и связанным с ним уменьшением потока нейтрино. В случае Б наиболее простым объяснением представляются нейтринные осцилляции, существование которых предсказывается теорией нейтрино с конечной массой покоя.


Поток нейтрино от Солнца составляет 1011 частиц на см2 в сек. (с энергиями до 1 МэВ) и 108 частиц на см2 в сек. (с энергией больше 1 МэВ). Для сравнения поток антинейтрино из литосферы Земли составляет 107 частиц на см2 в сек. Ежесекундно через тело каждого человека проходит около 1013 солнечных нейтрино.
Если нейтрино имеют массу покоя отличную от нуля, то они могут двигаться с любой скоростью меньше световой, а также находиться в состоянии покоя. Это открытие накладывает отпечаток на существующие представления о строении Вселенной, путях ее развития.
Наличие у нейтрино отличной от нуля массы покоя могло бы иметь важные космологические следствия. Если масса покоя нейтрино превышает 1 эВ, то реликтовые нейтрино вносят основной вклад в среднюю плотность вещества в современной Вселенной и определяют развитие гравитационной неустойчивости на стадии формирования структуры Вселенной. Эволюция неоднородностей в газе нейтрино приводит к образованию сверхскоплений галактик и скоплений галактик. При этом нейтрино должны формировать массивные гало на периферии галактик, обеспечивая так называемую скрытую массу галактик и скоплений галактик. Таким образом, в отличие от реликтовых фотонов, реликтовые нейтрино с массой не равной нулю (mn <> 0) должны быть распределены неоднородно. В видимой части Галактики концентрация реликтовых нейтрино должна составлять 107 - 108 см3, что соответствует плотности 10-24 - 10-25г/см3, ничтожной не только по сравнению со средней плотностью Солнца или Земли, но и со средней плотностью Солнечной системы в пределах орбиты Плутона.
Образно говоря, мы живем в нейтринном мире. Согласно принятым моделям, при плотности большей некоторой критической, Вселенная не будет расширяться до бесконечности, а со временем начнет сжиматься. Произойдет это примерно через 30-40 миллиардов лет. Сжатие будет сопровождаться увеличением температуры, повышением плотности вещества, изменением его физической структуры, химического состава. Через 70 миллиардов лет Вселенная вступит в сверхплотную и горячую стадию, то есть придет к тому, с чего начала.
Интересные результаты были получены А.Г.Пархомовым о возможной роли космологических нейтрино в объяснении непонятных явлений. Он использовал новейшие достижения физики и астрофизики: данные о возможной массе покоя нейтрино и космологические представления о реликтовых нейтрино. Сделав оценочные расчеты, автор гипотезы рассмотрел роль реликтовых нейтрино в некоторых процессах на Солнце и планетах. Оказалось, что Солнце и планеты могут быть эффективной гравитационной "ловушкой" для реликтовых нейтрино. Определенная часть нейтрино должна совершать орбитальные и колебательные движения около Солнца и планет ( и в их недрах), а также вращаться и колебаться относительно центра масс всей Солнечной системы. Кроме того, около поверхности планет и Солнца должен быть тонкий слой с повышенной концентрацией нейтрино - нейтриносфера. Реликтовые нейтрино удерживаются около Солнца в огромном чечевицеобразном облаке, размеры которого можно оценить в несколько расстояний между Землей и Солнцем.
По-видимому, существование вытянутой нейтриносферы Солнца открыто сотрудником ИЯИ РАН член-корреспондентом РАН В. Лобашовым, который экспериментально установил, что дважды в год Земля проходит в своем орбитальном движении через области повышенной концентрации реликтовых нейтрино.
Для нейтрино, движущихся со скоростью около 10 км/с, дебройлевская длина волны составляет величину порядка 1 мм. Поэтому в нейтриносфере Земли должны наблюдаться макроскопические квантовые эффекты, например, образование квазиатомов, имеющих размеры обычных тел, различные интерференционные эффекты и т.п. Все эти эффекты могут вызвать явления, которые мы сейчас воспринимаем как аномальные, непонятные.
А.Г. Пархомов показал, что нейтриносфера Земли (если она существует) может объяснить ряд непонятных эффектов, зарегистрированных в электронных генераторах фликкер-шумов, а также, возможно, и в других физических и химических системах. Отсюда важная экстраполяция на клетки живых организмов, которые являются физико-химическими системами и генерируют шумы. Естественно предположение, что живые клетки должны реагировать на процессы в ионосфере, что приводит к возможности существования "нейтринной чувствительности" живого. "Нейтринное чувство" не нуждается в специальном органе, подобном глазу, уху и т.п. Оно может осуществляться центральной нервной системой, способной анализировать и синтезировать специфические сигналы, поступающие от соответствующих клеток организма, отвечающих за "нейтринное чувство" (например, об увеличении в них уровня шума).
Идеи и расчеты о нейтриносфере хорошо согласуются с микролептонной теорией, разработанной А.Ф. Охатриным, в которой показана возможность существования целого класса нейтриноподобных частиц - микролептонов с различной массой покоя. Он выдвинул идею о роли микролептонов для объяснения некоторых непонятных эниоявлений, в первую очередь, для понимания природы биолокационного метода. Сейчас уже можно считать доказанным существование мирового лептонного газа (МЛГ), пронизывающего все тела во Вселенной и заполняющего "пустоту". Судя по экспериментам отечественных ученых А.Охатрина и Н.Сочеванова, можно говорить о сотне разновидностей нейтрино. По сравнению с ядрами атомов лептоны настолько малы, что могут свободно пронизывать все предметы материального мира подобно молекулам ветра, пролетающим сквозь ячейки рыбацких сетей.