Обложка Горбунов Д.С., Рубаков В.А. КОМПЛЕКТ:1. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. 2. Введение в теорию ранней Вселенной: Космологические возмущения. Инфляционная теория
Id: 281068
2399 руб.

КОМПЛЕКТ:1. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. 2. Введение в теорию ранней Вселенной: Космологические возмущения. Инфляционная теория

2020. 1184 с. ISBN 978-5-9710-7166-2.
Белая офсетная бумага
  • Твердый переплет

Аннотация

Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. 616 стр.

Настоящая книга написана в значительной мере с точки зрения связи космологии с физикой микромира. В ней излагаются результаты, относящиеся к однородной изотропной Вселенной на горячей стадии ее эволюции и на последующих космологических этапах. В основных разделах рассматриваются установившиеся представления о ранней и современной... (Подробнее)


Оглавление 1
Предисловие
1. Космология. Краткий обзор
 1.1. О единицах измерения
 1.2. Вселенная сегодня
  1.2.1. Однородность и изотропия
  1.2.2. Расширение
  1.2.3. Время жизни Вселенной и размер ее наблюдаемой части
  1.2.4. Пространственная плоскостность
  1.2.5. "Теплая" Вселенная
 1.3. Баланс энергий в современной Вселенной
 1.4. Вселенная в будущем
 1.5. Вселенная в прошлом
  1.5.1. Рекомбинация
  1.5.2. Первичный нуклеосинтез
  1.5.3. Закалка нейтрино
  1.5.4. Фазовые переходы во Вселенной
  1.5.5. Генерация барионной асимметрии
  1.5.6. Генерация темной материи
 1.6. Образование структур во Вселенной
 1.7. Инфляционная стадия
2. Однородная изотропная Вселенная
 2.1. Однородные изотропные пространства
 2.2. Метрика Фридмана--Робертсона--Уокера
 2.3. Красное смещение. Закон Хаббла
 2.4. Замедление относительного движения
 2.5. Газы свободных частиц в расширяющейся Вселенной
3. Динамика расширения Вселенной
 3.1. Уравнение Фридмана
 3.2. Примеры космологических решений. Возраст Вселенной. Космологический горизонт
  3.2.1. Нерелятивистское вещество ("пыль")
  3.2.2. Ультрарелятивистское вещество ("радиация")
  3.2.3. Вакуум
  3.2.4. Уравнение состояния p=w
 3.3. Решения с реколлапсом
4. '03CDM: космологическая модель с темной материей и темной энергией
 4.1. Современный состав Вселенной
 4.2. Общие свойства эволюции Вселенной
 4.3. Переход от замедления к ускорению
 4.4. Переход от радиационно-доминированной к пылевидной стадии
 4.5. Возраст современной Вселенной и размер горизонта
 4.6. Соотношение "видимая яркость -- красное смещение" для удаленных стандартных свеч
 4.7. Угловые размеры удаленных объектов
 4.8. Квинтэссенция
  4.8.1. Особенности эволюции однородного скалярного поля в расширяющейся Вселенной
  4.8.2. Ускоренное расширение Вселенной за счет скалярного поля
  4.8.3. Следящее поле
5. Термодинамика в расширяющейся Вселенной
 5.1. Функции распределения бозонов и фермионов
 5.2. Энтропия в расширяющейся Вселенной. Барион-фотонное отношение
 5.3. *Модели с промежуточной пылевидной стадией: генерация энтропии
 5.4. *Неравновесные процессы
6. Рекомбинация
 6.1. Температура рекомбинации
 6.2. Последнее рассеяние фотонов
 6.3. *Выполнение условий термодинамического равновесия
 6.4. Горизонт на момент рекомбинации и угол, под которым он виден сегодня. Пространственная плоскостность Вселенной
7. Реликтовые нейтрино
 7.1. Температура закалки нейтрино
 7.2. Эффективная температура нейтрино. Космологическое ограничение на массу нейтрино
 7.3. *Стерильные нейтрино
8. Первичный нуклеосинтез
 8.1. Закалка нейтронов. Нейтрон-протонное отношение
 8.2. Начало нуклеосинтеза. Направление термоядерных реакций
 8.3. Кинетика нуклеосинтеза
  8.3.1. Горение нейтронов, p+nD +\!
  8.3.2. Горение дейтерия
  8.3.3.*Образование первичных 3 He и 3H
  8.3.4. *Образование и горение наиболее тяжелых ядер первичной плазмы
 8.4. Наблюдаемая распространенность первичных элементов
9. Темная материя
 9.1. Холодная, горячая и теплая темная материя
 9.2. Закалка тяжелых реликтовых частиц
 9.3. Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMPs)
 9.4. Другие применения результатов раздела 9.2
  9.4.1. Остаточная плотность барионов в барион-симметричной Вселенной
  9.4.2. *Тяжелые нейтрино
 9.5. Новые частицы -- кандидаты на роль темной материи
 9.6. *Стабильные частицы в суперсимметричных теориях
  9.6.1. Нейтралино
  9.6.2. Снейтрино
  9.6.3. Гравитино
 9.7. *Другие кандидаты
  9.7.1. Аксионы и другие легкие долгоживущие частицы
  9.7.2. Сверхтяжелые реликтовые частицы
  9.7.3. Экзотика
10. Фазовые переходы в ранней Вселенной
 10.1. Типы фазовых переходов
 10.2. Эффективный потенциал в однопетлевом приближении
 10.3. Инфракрасная проблема
11. Генерация барионной асимметрии
 11.1. Необходимые условия генерации асимметрии
 11.2. Несохранение барионного и лептонных чисел во взаимодействиях частиц
  11.2.1. Электрослабый механизм
  11.2.2. Нарушение барионного числа в теориях Большого объединения
  11.2.3. Несохранение лептонных чисел и майорановские массы нейтрино
 11.3. Генерация асимметрии в распадах частиц
 11.4. Барионная асимметрия и массы нейтрино: лептогенезис
 11.5. Электрослабый бариогенезис
  11.5.1. Условия нарушения термодинамического равновесия
  11.5.2. *Генерация барионной асимметрии на толстой, медленно движущейся стенке
  11.5.3. *Бариогенезис на тонкой стенке
 11.6. *Механизм Аффлека--Дайна
  11.6.1. Скалярные поля, несущие барионное число
  11.6.2. Генерация асимметрии
 11.7. Заключительные замечания
12. Топологические дефекты и солитоны во Вселенной
 12.1. Образование топологических дефектов в ранней Вселенной
 12.2. *Монополи т'Хоофта--Полякова
  12.2.1. Монополи в калибровочных теориях
  12.2.2. Механизм Киббла
  12.2.3. Остаточная концентрация: проблема монополей
 12.3. *Космические струны
  12.3.1. Струнные конфигурации
  12.3.2. Газ космических струн
  12.3.3. Дефицит угла
  12.3.4. Струны во Вселенной
 12.4. *Доменные стенки
 12.5. *Текстуры
 12.6. *Гибридные топологические дефекты
 12.7. *Нетопологические солитоны: Q-шары
  12.7.1. Модель с двумя полями
  12.7.2. Модели с плоскими направлениями
A Элементы общей теории относительности
 A.1. Тензоры в искривленном пространстве-времени
 A.2. Ковариантная производная
 A.3. Тензор кривизны
 A.4. Уравнения гравитационного поля
 A.5. Конформно-связанные метрики
 A.6. Взаимодействие материи с гравитационным полем. Тензор энергии-импульса
 A.7. Движение частиц в гравитационном поле
 A.8. Ньютоновский предел в общей теории относительности
 A.9. Линеаризованные уравнения Эйнштейна на фоне пространства Минковского
 A.10. Макроскопический тензор энергии-импульса
 A.11. Обозначения и соглашения
B Стандартная модель физики частиц
 B.1. Описание Стандартной модели
 B.2. Глобальные симметрии Стандартной модели
 B.3. C-, P-, T-преобразования
 B.4. Смешивание кварков
 B.5. Эффективная теория Ферми
 B.6. Особенности сильных взаимодействий
 B.7. Эффективное число степеней свободы в Стандартной модели
C Осцилляции нейтрино
 C.1. Смешивание нейтрино и осцилляции
  C.1.1. Вакуумные осцилляции
  C.1.2. Осцилляции трех типов нейтрино в частных случаях
  C.1.3. Эффект Михеева--Смирнова--Вольфенштейна
 C.2. Наблюдения нейтринных осцилляций
  C.2.1. Солнечные нейтрино и KamLAND
  C.2.2. Атмосферные нейтрино, K2K и MINOS
  C.2.3. CHOOZ: ограничение на |Ue3|
 C.3. Значения параметров осцилляций
 C.4. Дираковские и майорановские массы. Стерильные нейтрино
 C.5. Прямые поиски масс нейтрино
D Квантовая теория поля при конечных температурах
 D.1. Бозонные поля: евклидово время и периодические граничные условия
 D.2. Фермионные поля: антипериодические условия
 D.3. Теория возмущений
 D.4. Однопетлевой эффективный потенциал
 D.5. Дебаевская экранировка
Монографии, обзоры
Литература
Предметный указатель

Оглавление 2
Предисловие
Глава 1.Джинсовская неустойчивость в ньютоновой теории тяготения
 1.1.Джинсовская неустойчивость в статической среде
 1.2.Развитие неустойчивости в расширяющейся Вселенной
 1.3.Размеры неоднородностей и массы структур
Глава 2.Космологические возмущения в общей теории относительности. Уравнения линеаризованной теории
 2.1.Фоновая метрика
  2.1.1.Метрика в конформном времени
  2.1.2.Космологические параметры и конформные времена различных эпох
 2.2.Общее рассмотрение
  2.2.1.Калибровка h0i = 0
  2.2.2.Линеаризованный тензор энергии-импульса идеальной жидкости
  2.2.3.Разложение по спиральностям
 2.3.Уравнения в секторах с определенной спиральностью
  2.3.1.Тензорные моды
  2.3.2.Векторные моды
  2.3.3.Скалярные моды: конформная ньютонова калибровка
 2.4.Режимы эволюции
 2.5.Массивное скалярное поле как темная материя
Глава 3.Эволюция векторных и тензорных мод
 3.1.Векторные моды
 3.2.Тензорные моды: реликтовые гравитационные волны
  3.2.1.За горизонтом: константная и падающая моды
  3.2.2.Под горизонтом. Сшивка с константной модой
Глава 4.Скалярные возмущения: результаты для однокомпонентных сред
 4.1.Общие уравнения
 4.2.Релятивистское вещество
 4.3.Нерелятивистское вещество
 4.4.Возмущения плотности нерелятивистского вещества на Lambda-доминированной стадии
Глава 5.Первичные скалярные возмущения в реальной Вселенной
 5.1.Адиабатическая мода и моды постоянной кривизны
 5.2.Адиабатическая мода за горизонтом
 5.3.Начальные условия для мод постоянной кривизны
 5.4.Первичные спектры: данные наблюдений
 5.5.Эволюция адиабатических возмущений: беглый обзор
Глава 6.Скалярные возмущения до рекомбинации
 6.1.Длинноволновые адиабатические моды
 6.2.Адиабатические моды, входящие под горизонт на радиационно-доминированной стадии
  6.2.1.Возмущения темной материи
  6.2.2.Возмущения барион-фотонной компоненты
 6.3.Адиабатические моды с промежуточными импульсами
 6.4.CDM-моды постоянной кривизны
 6.5.Барионные моды постоянной кривизны
Глава 7.Формирование структур
 7.1.Эволюция неоднородностей материи после рекомбинации: линейная стадия
  7.1.1.Спектр мощности P(k, z)
  7.1.2.Барионные акустические осцилляции
 7.2.Выход возмущений на нелинейную стадию
  7.2.1.Предварительное обсуждение
  7.2.2.Распределение по массам
Глава 8.За рамками приближения идеальной жидкости
 8.1.Функции распределения и уравнение Больцмана в искривленном пространстве-времени
 8.2.Общие уравнения для скалярных возмущений
 8.3.Теплая темная материя
  8.3.1.Подавление роста возмущений
  8.3.2.Ограничения на массу частиц из фазовой плотности
 8.4.Особенности эволюции нейтринной компоненты
  8.4.1.Ранние стадии эволюции возмущений: релятивистские нейтрино
  8.4.2.Нерелятивистские нейтрино
  8.4.3.Влияние нейтрино на возмущения материи. Космологические ограничения на массы нейтрино
 8.5.Неидеальность барион-фотонной среды в эпоху рекомбинации
  8.5.1.Толщина сферы последнего рассеяния
  8.5.2.Эффект Силка
Глава 9.Температура реликтового излучения
 9.1.Анизотропия температуры реликтового излучения
 9.2.Анизотропия температуры в приближении мгновенного отщепления фотонов
  9.2.1.Общий формализм
  9.2.2.Большие угловые масштабы
  9.2.3.Промежуточные угловые масштабы
 9.3.Малые угловые масштабы
 9.4.Зависимость спектра анизотропии от космологических параметров
 9.5.Анизотропия температуры в случае мод постоянной кривизны
Глава 10.Поляризация реликтового излучения
 10.1.Источники поляризации
 10.2.Тензор поляризации. E- и B-моды
 10.3.Генерация поляризации реликтового излучения
  10.3.1.Общее рассмотрение
  10.3.2.Скалярные возмущения
  10.3.3.Тензорные возмущения
 10.4.Обсуждение
Глава 11.Проблемы теории горячего Большого взрыва. Инфляция как способ их решения
 11.1.Проблемы теории горячего Большого взрыва
  11.1.1.Проблема горизонта
  11.1.2.Проблема плоскостности
  11.1.3.Проблема энтропии
  11.1.4.Проблема первичных неоднородностей
 11.2.Инфляция: основная идея
Глава 12.Инфляция в режиме медленного скатывания
 12.1.Условия медленного скатывания
 12.2.Модели инфляции
  12.2.1.Инфляция с большим полем ("хаотическая инфляция")
  12.2.2.Инфляция вблизи максимума потенциала ("новая инфляция")
  12.2.3.Гибридная инфляция
  12.2.4.Заключительные замечания
Глава 13.Генерация космологических возмущений на инфляционной стадии
 13.1.Упрощенный анализ: флуктуации инфлатонного поля
  13.1.1.Вакуумные флуктуации в плоском пространстве-времени
  13.1.2.Генерация возмущений инфлатона
  13.1.3.Первичные скалярные возмущения
 13.2.Скалярные возмущения с учетом возмущений метрики
 13.3.Тензорные возмущения
 13.4.Амплитуды и наклоны спектров. Сравнение с наблюдениями
  13.4.1.Амплитуда скалярных возмущений: плоскостность потенциала инфлатона
  13.4.2.Амплитуда тензорных возмущений
  13.4.3.Наклоны спектров
 13.5.Обсуждение
Глава 14.Дополнительные вопросы инфляционной теории
 14.1."Вечная" инфляция
 14.2.Генерация возмущений плотности за счет дополнительного скалярного поля
  14.2.1.Негауссовы адиабатические возмущения
  14.2.2.Моды постоянной кривизны
 14.3.Легкое скалярное поле в раздувающейся Вселенной
  14.3.1.Поле малой массы без самодействия
  14.3.2.Модель с потенциалом четвертого порядка
 14.4.Аксион как темная материя: CDM-возмущения постоянной кривизны
Глава 15.Постинфляционный разогрев
 15.1.Предварительные соображения
 15.2.Распад колебаний инфлатона в теории с квадратичным потенциалом
  15.2.1.Распад инфлатонных колебаний большой амплитуды
  15.2.2.Случай слабой связи
 15.3.Особенности теории с потенциалом phi4
 15.4.Рождение тяжелых фермионов
 15.5.Физические приложения
  15.5.1.Генерация барионной асимметрии в процессе разогрева
  15.5.2.Нетепловые фазовые переходы
  15.5.3.Высокочастотные гравитационные волны
Глава 16.Сценарии с коллапсом и отскоком
Приложение A. Точные решения для гравитирующей материи
 A.1.Гравитационный коллапс в ньютоновой теории тяготения
 A.2.Сферический коллапс пылевидной материи в общей теории относительности
Приложение B. Вывод линеаризованных уравнений Эйнштейна
Приложение C. Гауссовы случайные величины и гауссовы случайные поля
 C.1.Свойства гауссовых случайных величин
 C.2.Гауссовы случайные поля
Приложение D. Фермионы в гравитационных полях
 D.1.Группа Лоренца как калибровочная группа
 D.2.Фермионное действие и уравнение Дирака
Приложение E. Рождение частиц во внешних полях. Метод преобразований Боголюбова
 E.1.Бозоны
 E.2.Фермионы
Приложение F. Некоторые специальные функции и их свойства
 F.1.Сферические функции Бесселя целого порядка jl(x)
 F.2.Полиномы Лежандра Pn(x) и сферические гармоники Ylm(n)
Монографии, обзоры
Литература
Предметный указатель

Предисловие

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.


Об авторах
Горбунов Дмитрий Сергеевич
Член-корреспондент Российской академии наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, научный сотрудник кафедры физики частиц и космологии физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. В круг научных интересов входят физика элементарных частиц, космология, квантовая теория поля, физика космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. Автор более 100 научных работ. Лауреат Золотой медали с премией Российской академии наук для молодых ученых за 2003 год, премии Президента РФ в области науки и технологий для молодых ученых за 2010 год и Международной премии им. М. А. Маркова за 2018 год.
Рубаков Валерий Анатольевич
Главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой физики частиц и космологии физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, академик Российской академии наук. Физик-теоретик, специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц, космологии, гравитации. Лауреат российских и международных научных премий, среди которых золотая медаль с премией для молодых ученых АН СССР (1984), премия им. А. А. Фридмана РАН (1999), международная премия им. И. Я. Померанчука (2003), международная премия им. М. А. Маркова Института ядерных исследований РАН (2005), премия им. Б. М. Понтекорво ОИЯИ (2008), премия им. Й. Ханса Йенсена Гейдельбергского университета (2009), премия им. Юлиуса Весса Технологического института Карлсруэ (2010), Ломоносовская премия 1-й степени (2012), премия им. Н. Н. Боголюбова ОИЯИ (2015), Демидовская премия (2016), Гамбургская премия по теоретической физике (2020).