Фазовые переходы в 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:

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'.