| Предисловие к третьему изданию | 8
|
| Предисловие к первому изданию | 9
|
| Глава 1. Космология. Краткий обзор | 11
|
| 1.1. О единицах измерения | 11
|
| 1.2. Вселенная сегодня | 14
|
| 1.2.1. Однородность и изотропия | 14
|
| 1.2.2. Расширение | 15
|
| 1.2.3. Время жизни Вселенной и размер её наблюдаемой части | 21
|
| 1.2.4. Пространственная плоскостность | 23
|
| 1.2.5. «Тёплая» Вселенная | 23
|
| 1.3. Баланс энергий в современной Вселенной | 28
|
| 1.4. Вселенная в будущем | 36
|
| 1.5. Вселенная в прошлом | 37
|
| 1.5.1. Рекомбинация | 37
|
| 1.5.2. Первичный нуклеосинтез | 39
|
| 1.5.3. Закалка нейтрино | 40
|
| 1.5.4. Фазовые переходы во Вселенной | 41
|
| 1.5.5. Генерация барионной асимметрии | 42
|
| 1.5.6. Генерация тёмной материи | 43
|
| 1.6. Образование структур во Вселенной | 44
|
| 1.7. До горячей стадии | 46
|
| 1.7.1. Аргументы из наблюдательных данных | 46
|
| 1.7.2. Проблемы теории горячего Большого взрыва | 48
|
| 1.7.3. Инфляционная теория | 49
|
| 1.7.4. Альтернативы инфляции | 51
|
| Глава 2. Однородная изотропная Вселенная | 52
|
| 2.1. Однородные изотропные пространства | 52
|
| 2.2. Метрика Фридмана—Леметра—Робертсона—Уокера | 55
|
| 2.3. Красное смещение. Закон Хаббла | 57
|
| 2.4. Замедление относительного движения | 61
|
| 2.5. Газы свободных частиц в расширяющейся Вселенной | 64
|
| Глава 3. Динамика расширения Вселенной | 68
|
| 3.1. Уравнение Фридмана | 68
|
| 3.2. Примеры космологических решений. Возраст Вселенной. Космологический горизонт | 72
|
| 3.2.1. Нерелятивистское вещество («пыль») | 73
|
| 3.2.2. Ультрарелятивистское вещество («радиация») | 75
|
| 3.2.3. Вакуум | 78
|
| 3.2.4. Уравнение состояния p = wp | 80
|
| 3.3. Решения с реколлапсом | 82
|
| Глава 4. ΛCDM | 84
|
| 4.1. Современный состав Вселенной | 84
|
| 4.2. Общие свойства эволюции Вселенной | 87
|
| 4.3. Переход от замедления к ускорению | 89
|
| 4.4. Переход от радиационно-доминированной к пылевидной стадии | 90
|
| 4.5. Возраст современной Вселенной и размер горизонта | 94
|
| 4.6. Соотношение «видимая яркость — красное смещение» для удалённых стандартных свеч | 98
|
| 4.7. Угловые размеры удалённых объектов | 109
|
| 4.8. Квинтэссенция | 112
|
| 4.8.1. Особенности эволюции однородного скалярного поля в расширяющейся Вселенной | 113
|
| 4.8.2. Ускоренное расширение Вселенной за счёт скалярного поля | 117
|
| 4.8.3. Следящее поле | 119
|
| Глава 5. Термодинамика в расширяющейся Вселенной | 122
|
| 5.1. Функции распределения бозонов и фермионов | 122
|
| 5.2. Энтропия в расширяющейся Вселенной. Барион-фотонное отношение | 130
|
| 5.3. Модели с промежуточной пылевидной стадией: генерация энтропии | 135
|
| 5.4. Неравновесные процессы | 139
|
| Глава 6. Рекомбинация | 145
|
| 6.1. Температура рекомбинации в термодинамическом равновесии | 145
|
| 6.2. Последнее рассеяние фотонов в реальной Вселенной | 151
|
| 6.3. Выполнение условий теплового равновесия | 161
|
| 6.3.1. Подогрев электронов | 162
|
| 6.3.2. Кулоновское рассеяние: тепловое равновесие электрон-протонной компоненты | 166
|
| 6.3.3. Тепловое равновесие фотонов | 168
|
| 6.4. Горизонт эпохи рекомбинации и угол, под которым он виден сегодня. Пространственная плоскостность Вселенной | 178
|
| Глава 7. Реликтовые нейтрино | 185
|
| 7.1. Температура закалки нейтрино | 185
|
| 7.2. Эффективная температура нейтрино. Космологическое ограничение на массу нейтрино | 187
|
| 7.3. Стерильные нейтрино как тёмная материя | 192
|
| Глава 8. Первичный нуклеосинтез | 203
|
| 8.1. Закалка нейтронов. Нейтрон-протонное отношение | 203
|
| 8.2. Начало нуклеосинтеза. Направление термоядерных реакций | 208
|
| 8.3. Кинетика нуклеосинтеза | 215
|
| 8.3.1. Горение нейтронов, p + n → D + γ | 216
|
| 8.3.2. Горение дейтерия | 217
|
| 8.3.3. Первичные 3He и 3H | 224
|
| 8.3.4. Образование и горение наиболее тяжёлых ядер первичной плазмы | 227
|
| 8.4. Наблюдаемая распространённость первичных элементов | 230
|
| Глава 9. Тёмная материя | 234
|
| 9.1. Холодная, горячая и тёплая тёмная материя | 235
|
| 9.2. Закалка тяжёлых реликтовых частиц | 238
|
| 9.3. Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMPs) | 250
|
| 9.4. Другие применения результатов раздела 9.2 | 258
|
| 9.4.1. Остаточная плотность барионов в барион-симметричной Вселенной | 259
|
| 9.4.2. Тяжёлые нейтрино | 259
|
| 9.5. Новые частицы — кандидаты на роль тёмной материи | 260
|
| 9.6. Стабильные частицы в суперсимметричных теориях | 262
|
| 9.6.1. Нейтралино | 264
|
| 9.6.2. Снейтрино | 276
|
| 9.6.3. Гравитино | 277
|
| 9.7. Аксионы и другие лёгкие долгоживущие частицы | 290
|
| 9.8. Другие кандидаты | 308
|
| 9.8.1. Сверхтяжёлые реликтовые частицы | 308
|
| 9.8.2. Экзотика | 309
|
| Глава 10. Фазовые переходы в ранней Вселенной | 311
|
| 10.1. Типы фазовых переходов | 313
|
| 10.2. Эффективный потенциал в однопетлевом приближении | 326
|
| 10.3. Электрослабый вакуум при нулевой температуре | 341
|
| 10.4. Инфракрасная проблема | 349
|
| Глава 11. Генерация барионной асимметрии | 355
|
| 11.1. Необходимые условия генерации асимметрии | 356
|
| 11.2. Несохранение барионного и лептонных чисел во взаимодействиях частиц | 360
|
| 11.2.1. Электрослабый механизм | 361
|
| 11.2.2. Нарушение барионного числа в теориях Большого объединения | 368
|
| 11.2.3. Несохранение лептонных чисел и майорановские массы нейтрино | 378
|
| 11.3. Генерация асимметрии в распадах частиц | 380
|
| 11.4. Барионная асимметрия и массы нейтрино: лептогенезис | 391
|
| 11.5. Электрослабый бариогенезис | 399
|
| 11.5.1. Условия нарушения термодинамического равновесия | 399
|
| 11.5.2. Генерация барионной асимметрии на толстой, медленно движущейся стенке | 401
|
| 11.5.3. Бариогенезис на тонкой стенке | 407
|
| 11.5.4. Электрослабый бариогенезис, CP -нарушение и ЭДМ нейтрона | 413
|
| 11.6. Механизм Аффлека—Дайна | 415
|
| 11.6.1. Скалярные поля, несущие барионное число | 415
|
| 11.6.2. Генерация асимметрии | 417
|
| 11.7. Заключительные замечания | 423
|
| Глава 12. Топологические дефекты и солитоны во Вселенной | 425
|
| 12.1. Образование топологических дефектов в ранней Вселенной | 426
|
| 12.2. Монополи т’Хоофта—Полякова | 428
|
| 12.2.1. Монополи в калибровочных теориях | 428
|
| 12.2.2. Механизм Киббла | 432
|
| 12.2.3. Остаточная концентрация: проблема монополей | 433
|
| 12.3. Космические струны | 436
|
| 12.3.1. Струнные конфигурации | 436
|
| 12.3.2. Газ космических струн | 443
|
| 12.3.3. Дефицит угла | 445
|
| 12.3.4. Струны во Вселенной | 452
|
| 12.4. Доменные стенки | 457
|
| 12.5. Текстуры | 460
|
| 12.6. Гибридные топологические дефекты | 464
|
| 12.7. Нетопологические солитоны: Q-шары | 465
|
| 12.7.1. Модель с двумя полями | 465
|
| 12.7.2. Модели с плоскими направлениями | 471
|
| Приложение A. Элементы общей теории относительности | 482
|
| A.1. Тензоры в искривлённом пространстве-времени | 482
|
| A.2. Ковариантная производная | 486
|
| A.3. Тензор кривизны | 491
|
| A.4. Уравнения гравитационного поля | 495
|
| A.5. Конформно-связанные метрики | 498
|
| A.6. Взаимодействие материи с гравитационным полем. Тензор энергии-импульса | 501
|
| A.7. Движение частиц в гравитационном поле | 506
|
| A.8. Ньютоновский предел в общей теории относительности | 510
|
| A.9. Линеаризованные уравнения Эйнштейна на фоне пространства Минковского | 512
|
| A.10.Макроскопический тензор энергии-импульса | 513
|
| A.11.Обозначения и соглашения | 514
|
| Приложение B. Стандартная модель физики частиц | 516
|
| B.1. Описание Стандартной модели | 516
|
| B.2. Глобальные симметрии Стандартной модели | 527
|
| B.3. C-, P-, T-преобразования | 528
|
| B.4. Смешивание кварков | 529
|
| B.5. Эффективная теория Ферми | 535
|
| B.6. Особенности сильных взаимодействий | 537
|
| B.7. Эффективное число степеней свободы в Стандартной модели | 537
|
| Приложение C. Осцилляции нейтрино | 540
|
| C.1. Смешивание нейтрино и осцилляции | 540
|
| C.1.1. Вакуумные осцилляции | 540
|
| C.1.2. Осцилляции трёх типов нейтрино в частных случаях | 544
|
| C.1.3. Эффект Михеева—Смирнова—Вольфенштейна | 546
|
| C.2. Наблюдения нейтринных осцилляций | 548
|
| C.2.1. Солнечные нейтрино и KamLAND | 548
|
| C.2.2. Атмосферные нейтрино, K2K и MINOS | 556
|
| C.2.3. Ускорительные и реакторные нейтрино: |Ue3| | 558
|
| C.3. Значения параметров осцилляций | 560
|
| C.4. Дираковские и майорановские массы. Стерильные нейтрино | 563
|
| C.5. Прямые поиски масс нейтрино | 569
|
| Приложение D. Квантовая теория поля при конечных температурах | 570
|
| D.1. Бозонные поля: евклидово время и периодические граничные условия | 571
|
| D.2. Фермионные поля: антипериодические условия | 574
|
| D.3. Теория возмущений | 577
|
| D.4. Однопетлевой эффективный потенциал | 580
|
| D.5. Дебаевская экранировка | 584
|
| Монографии, обзоры | 587
|
| Цветные иллюстрации | 593
|
| Литература | 601
|
| Предметный указатель | 611
|
Современная космология тесно связана с физикой микромира, изучающей
элементарные частицы и их взаимодействия на наиболее фундаментальном уровне.
Именно с этой точки зрения и написана эта книга. В ней излагаются результаты,
относящиеся к однородной изотропной Вселенной на горячей стадии ее эволюции
и на последующих космологических этапах. Эту область космологии нередко
называют теорией горячего Большого взрыва. Предполагается, что
в дальнейшем будет написана вторая часть книги, посвященная инфляционной
теории, теории постинфляционного разогрева и теории развития космологических
возмущений, т.е. неоднородностей во Вселенной.
В основу книги положен курс лекций, читавшийся в течение ряда лет на кафедре
квантовой статистики и теории поля физического факультета Московского
государственного университета им.М.В.Ломоносова студентам,
специализирующимся в области теоретической физики. Мы сочли целесообразным,
однако, добавить ряд более специальных разделов, помеченных в книге звездочкой.
Дело в том, что в космологии имеются проблемы (природа темной материи и темной
энергии, механизм образования асимметрии между веществом и антивеществом
и т.д.), которые еще не нашли своего однозначного решения. Большая часть
дополнительных разделов как раз и посвящена обсуждению соответствующих гипотез,
зачастую альтернативных друг другу. При первом чтении эти разделы можно
опустить.
Для чтения книги достаточно, в принципе, знания материала, обычно излагаемого
в курсах общей физики. Поэтому основные разделы книги должны быть доступны
студентам старших курсов университетов. Необходимые для их чтения сведения
из общей теории относительности и теории элементарных частиц помещены
в приложениях, не претендующих, разумеется, на сколько-нибудь полное изложение
этих самостоятельных направлений физики. В то же время, в некоторых разделах,
помеченных звездочкой, используются методы классической и квантовой теории
поля, а также неравновесной статистической физики, так что для их
чтения желательно владение соответствующими методами.
Сколько-нибудь полный библиографический обзор по обсуждаемым темам выходил бы
далеко за рамки этой книги. Для ориентировки читателя мы поместили в конце
книги перечень монографий и обзоров, в которых рассматриваются затронутые нами
вопросы. Разумеется, этот перечень далеко не полон. По ходу изложения мы также
приводим ссылки на оригинальную литературу, откуда мы почерпнули те или иные
частные результаты.
Наблюдательная космология, как и экспериментальная физика частиц, быстро
развивается. Приведенные в книге наблюдательные и экспериментальные данные
и результаты их обработки (значения космологических параметров, ограничения
на массы и константы связи новых гипотетических частиц и т.д.), скорее всего,
будут уточнены уже до выхода книги в свет. Восполнить этот пробел поможет,
например, обращение к регулярно обновляемым материалам Particle Data Group
(http://pdg.lbl.gov).
Мы хотели бы поблагодарить наших коллег из Института ядерных исследований РАН
Ф.Л.Безрукова, С.В.Демидова, В.А.Кузьмина, Д.Г.Левкова,
М.В.Либанова, Г.И.Рубцова, Д.В.Семикоза, П.Г.Тинякова,
И.И.Ткачева, С.В.Троицкого за участие в подготовке курса лекций
и многочисленные полезные обсуждения и ценные замечания. Мы
особенно признательны С.Л.Дубовскому, принимавшему участие в работе над
книгой на начальном этапе. Мы глубоко благодарны В.С.Березинскому,
А.Боярскому, А.Виленкину, М.Б.Волошину, М.И.Высоцкому,
А.Д.Долгову, С.Л.Дубовскому, Д.И.Казакову, Д.Г.Левкову,
И.Д.Новикову, Э.Я.Нугаеву, К.А.Постнову, М.В.Сажину,
Д.В.Семикозу, А.Ю.Смирнову, А.А.Старобинскому, А.Н.Тавхелидзе,
П.Г.Тинякову, С.Ю.Хлебникову и М.Е.Шапошникову за многочисленные
полезные замечания и критику на предварительную версию этой книги.
Горбунов Дмитрий Сергеевич 
Рубаков Валерий Анатольевич