Темная энергия обладает гравитационными свойствами


Простое объяснение темной энергии

Темная энергия обладает гравитационными свойствами

Десятилетиями ученые ломают головы над тем фактом, что наша Вселенная расширяется. С логической точки зрения гравитация должна притягивать галактики друг к другу, однако наблюдения 1990-х годов показали, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускоряющей тенденцией, и виной тому является так называемая темная энергия.

Темная энергия (не путать с темной материей) – это гипотетическая сила, на которую приходится до 68,3 процента всей энергии в наблюдаемой Вселенной. И ученые считают, что эта энергия отталкивает галактики друг от друга. Тем не менее, несмотря на множество непрямых доказательств ее существования, никто так до сих пор и не смог напрямую определить наличие темной энергии или хотя бы адекватно объяснить, откуда она взялась.


Однако согласно новой гипотезе, ответ на этот вопрос лежал у нас в буквальном смысле перед носом. Согласно этой гипотезе, темная энергия – это абсолютно обыденная вещь, если рассматривать ее с точки зрения одного из фундаментальных законов Вселенной, о котором мы часто забываем, когда рассматриваем этот вопрос. Этим фундаментальным законом является закон сохранения энергии. О нем рассказывают еще в средней школе. Если простыми словами, гласит он следующее: энергию нельзя просто так создать или разрушить, она не может просто так исчезнуть. Единственное, что она может – это перетечь из одного состояния в другое или перейти от одного тела к другому. На этом законе держится большая часть нашей фундаментальной физики.

Результаты нового исследования, проведенного группой физиков из разных институтов, говорят о том, что если в рамках самых ранних дней появления Вселенной имела место даже едва заметная утрата энергии, то это могло бы объяснить природу темной энергии, о которой сегодня говорят многие ученые. Авторы исследования добавляют, что, вполне возможно, эта утечка хоть и нарушала фундаментальный закон, но нарушала его настолько незначительно, что в итоге этого никто бы и не заметил.

Гипотеза весьма дерзкая, следует заметить. Но здесь же интересно понять, что именно привело исследователей к такой гипотезе. Для того чтобы разобраться в вопросе темной энергии и постараться объяснить ее, необходимо вернуться в 1917 год, год, когда Эйнштейн пытался понять, почему Вселенная статичная и не имеет тенденцию сужаться или расширяться. На тот момент эта теория была весьма популярной.


Чтобы объяснить отсутствие гравитационной стяжки, Эйнштейн предположил, что во Вселенной должно иметься что-то, что может создавать в общем вселенском масштабе сопротивление гравитации. Так появилась космологическая постоянная. Однако от этой идеи в 1929 году он отказался, когда астроном Эдвин Хаббл впервые увидел признаки расширяющейся Вселенной, которые он отметил в своих расчетах. В начале 90-х годов прошлого века ученые доказали, что Вселенная расширяется с ускорением, и постоянная Эйнштейна стала вновь актуальной. Астрофизики пришли к мнению, что этой постоянной, о которой Эйнштейн говорил в своих работах несколько десятилетий назад, на самом деле всегда являлась та вещь, которую сегодня мы называем темной энергией.

Так что же это такое, темная энергия? В общем понимании это космологическая постоянная, возникающая и равномерно заполняющая пространство Вселенной. Из квантовой механики нам известно, что на самом деле пустое пространство никогда не пусто – оно заполнено квантовыми частицами и энергией, которая появляется под воздействием возникновения и исчезновения этих частиц. И некоторые из этих частиц могут обладать репульсивной силой – той самой темной энергией.

Пожалуй, единственный самый спорный момент заключается в том, что предсказанный объем появляющейся темной энергии в рамках этого процесса должен быть больше, чем ныне выдвигаемый с учетом наблюдения расширения Вселенной показатель – до 120 порядков больше, если точнее. Это может говорить о том, что мы либо неправильно измеряем этот объем, либо мы совсем не понимаем, откуда именно берет свое начало темная энергия.


Новое исследование предполагает, что последний вариант наиболее вероятен, и по этому случаю выдвигается новая гипотеза. А что, если на раннем этапе своего появления Вселенная испытывала некоторую утечку энергии и эта потеря задала темп возникновения темной энергии?

«В нашей модели темная энергия представлена тем, что способно указать на тот объем энергии и импульса, которые были утрачены за всю историю Вселенной», — говорит один из исследователей Алехандро Перез.

Основной для этой новой гипотезы является альтернативная модель общей теории относительности, к которой Эйнштейн пришел в 1910-х. Она носит название модели унимодулярной гравитации. Согласно ей, энергия совсем необязательно должна сохраняться. При этом исследователи говорят, что при применении модели унимодулярной гравитации в вычислениях значение космологической постоянной идеально соотносится с теми наблюдениями, согласно которым наша Вселенная расширяется с ускорением.

Важно также отметить, что эта модель необязательно сильно противоречит нашему нынешнему пониманию Вселенной. Хотя исчезновение энергии в ранней Вселенной скажется на изменении значений объемов темной энергии, ни на что другое оно влиять не будет, или по крайней мере это не будет заметно в наших современных экспериментах.

«Энергия вещества, составляющего материю, может передаваться гравитационному полю, и эта «потеря энергии» будет выступать в роли космологической постоянной — она не будет разбавляться позже с расширением Вселенной», — говорит Тибо Жоссе, еще один член исследовательской группы.


«С учетом этого, потеря или создание энергии в далеком прошлом может иметь серьезные последствия сегодня и при этом на совершенно ином уровне и в более крупных больших масштабах».

Здесь, однако, возникает вопрос: если исчезновение энергии не несет никаких эффектов на Вселенную, кроме как изменяет значение самой темной энергии, то каким образом можно проверить правильность или неправильность этой гипотезы? В этом и заключается основная проблема.

«Наше предложение носит весьма общий характер, и любое изменение закона сохранения энергии, вероятнее всего, внесет свой вклад в эффективность космологической постоянной. Например, это может установить новые ограничения на феноменологические модели, стоящие за пределами квантовой механики», — говорит Жоссе.

«С другой стороны, прямые доказательства того, что темная энергия подпитывается от изменяющей свое состояние обычной энергии, кажутся за гранью реальности, так как у нас уже есть значение лямбда-члена (она же – космологическая постоянная), и, кроме того, мы ограничены лишь последним временем ее (темной энергии) эволюции».


В общем и целом данная гипотеза представляется тем, чем она пока и есть гипотезой, которая еще не проходила проверки. Однако физики говорят, что хотят более детально ее исследовать на предмет вероятности в будущем.

«Ни о какой определенности речи не идет. Но эта новая идея представляется как минимум интересной и поэтому заслуживает внимания», — говорит Ли Смолин, физик-теоретик из канадского Института теоретической физики в Ватерлоо, не принимавший участия в этом исследовании.

Источник: Information-Technology.ru

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ ДВИЖЕТ МИРОМ

Новейшие открытия в физике перевернули наши представления о мироздании. Теперь известно, что миром движет энергия неизвестной природы, вселенных множество, а нашу Вселенную вполне могли сотворить в лаборатории представители сверхцивилизации

Темная энергия обладает гравитационными свойствами

В космологии—настоящая революция. Принципиальные изменения в наших представлениях об устройстве мира произошли в последние год-полтора. Главный и уже не подвергающийся сомнению факт состоит в том, что Вселенная на 25 процентов состоит из невидимой Темной материи и еще на 70—из Темной энергии, физические свойства которой и сама ее природа неизвестны. Более того, физики не могут придумать, как ее изучать. Но следствия из этого открытия вывести можно, и следствия эти—самые фантастические.


—Лет пятнадцать назад космология была скорее качественной наукой, чем точной,—говорит главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН Валерий Рубаков.—Но потом начались измерения, а в последние пять лет—просто бум в этой области.

Началось все в начале 90-х годов прошлого века с измерения температуры реликтового излучения.

—Реликтовое излучение было открыто в 1965 году на уровне радиошума,—говорит Владимир Лукаш, заведующий отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.—А сейчас измеряются тонкие детали этого излучения, по которым можно судить и о состоянии Вселенной, и о количестве вещества и энергии в ней.

Реликтовое излучение называют эхом Большого взрыва—самых ранних стадий развития нашей Вселенной. Тогда она из микроскопической стремительно раздулась в привычный нам огромный размер и мгновенно разогрелась до очень больших температур. Остывая, вещество стало светиться, этот свет и есть реликтовое излучение. За 14 миллиардов лет, впрочем, фотоны света, возникшие при Большом взрыве, остыли и превратились в радиоволны с температурой 2,7 Кельвина (всего на 2,7 градуса выше температуры вакуума).


—Это в буквальном смысле фотография Вселенной возраста, когда она была совсем юная,—300 тысяч лет,—говорит Рубаков.—И устройство ее отличалось от современного. Тогда еще не было, разумеется, ни галактик, ни звезд. Но все же Вселенная была не совсем однородная. Фактически в ее веществе ходили звуковые волны. Потом, когда она раздулась, из этих волн образовалось все, что мы видим,—галактики, скопления галактик…

И вот по температуре реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон, удалось измерить величину тех ранних звуковых волн. А потом по этим данным—количество вещества в современной Вселенной. Выяснилась удивительная вещь: обычного вещества, из которого состоят звезды и планеты, не хватает. Его масса составляет всего пять процентов от того, сколько должно быть.

Стали искать недостающие девяносто пять процентов. Оказалось, что они состоят из двух компонентов: Темной материи и Темной энергии. Первой во Вселенной 25 процентов, а второй—70. Темная материя—это пока не открытые частицы. Они тяжелые, очень слабо взаимодействуют с веществом: не имеют электрического заряда, не участвуют в ядерных силах, иначе их бы давно открыли. Они летают вокруг нас и сквозь нас. Но все же слабенько они с веществом взаимодействуют—на уровне нейтрино.

—На нас падает 10 миллиардов штук нейтрино в секунду, и мы этого не замечаем,—говорит Рубаков.—То же самое с тяжелыми частицами Темной материи. Но нейтрино детектируют, значит, есть надежда, что и Темную материю откроют. Думаю, эта проблема будет решена в ближайшие годы.


ЭНЕРГИЯ, ЧЕМ БЫ ОНА НИ БЫЛА

Но откуда стало известно, что Темной материи во Вселенной 25 процентов, если ее не видно? На самом деле ее присутствие можно обнаружить по скорости, с которой вращаются галактики. Если бы в галактиках было только обычное вещество, тогда они вращались бы по-другому. Это, кстати, тоже выяснилось из астрономических наблюдений последних лет. Вычисления показали, что галактики как бы вложены внутрь шаров из невидимого вещества. Причем размеры этих шаров больше, чем размеры видимых частей галактик, а их массы недостаточно, чтобы сошлись вычисления всей энергии Вселенной.

—В последние полтора года появились данные космического эксперимента WMAP, где измеряли реликтовое излучение на разных направлениях,—говорит Лукаш.—Это и расставило все точки. Мы получили информацию о количестве Темной материи. И оказалось, что в сумме с обычной материей это количество составило только треть от всей Вселенной.

В уравнениях Эйнштейна оставалось только одно вакантное место для недостающих 70 процентов Вселенной. Это был так называемый лямбда-член, характеризующий некую энергию, чем бы она ни была. Ее и назвали Темной энергией.

В то же время выяснилась еще более поразительная вещь—Темная энергия действует как антигравитация, то есть заставляет Вселенную расширяться все быстрее. То, что Вселенная расширяется ускоренно, определили по скорости удаления от нас так называемых стандартных свечей—сверхновых звезд. Свет этих звезд был испущен очень давно, миллиарды лет назад. Значит, можно вычислить, с какой скоростью Вселенная расширялась в те времена. А с какой скоростью она расширяется сейчас, тоже известно. Отсюда и обнаружили ускорение, которое вызывает Темная энергия.


—С Темной энергией вообще кабак!—говорит Рубаков.—Это крайне необычная штука. Дело вот в чем. Нормально, если бы расширение Вселенной тормозилось гравитацией. А наблюдения говорят, что в последние несколько миллиардов лет темп расширения увеличивается. Это значит, что оставшиеся 70 процентов энергии должно обеспечивать что-то, что, грубо говоря, антигравитирует. Реально неизвестно, что такое Темная энергия, даже гипотез хороших нет. Некоторые ученые говорят об отрицательном давлении вакуума. В уравнениях теории относительности это может быть. Но есть проблема. Число, которого требуют уравнения, ни в какие ворота не лезет с точки зрения физики частиц. Оно очень маленькое. Порядков на пятьдесят меньше, чем должно быть. С другой стороны, если бы это число соответствовало остальной физике, то пространство растягивалось бы прямо вот здесь, у нас на глазах.

Чтобы избежать противоречий, физики придумали слово для Темной энергии—«квинтэссенция». Означает оно, что это некое новое поле, но на самом деле это пока только еще одни слова. Есть и другие гипотезы, самые экзотические. Например, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить теоретическую модель, непротиворечивую хотя бы внутри себя, не удается. И совершенно не видно способов проверить в лаборатории. Это тоже странная ситуация для физики.

ПЕНА ВРЕМЕНИ


Темная энергия обладает гравитационными свойствами

Тем не менее в космологии есть гипотеза, которая хоть и не объясняет природу Темной энергии, но само наличие этой энергии предсказала еще двадцать лет назад. Называется она инфляционной. В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза стала общепринятой, почему и говорят о перевороте в космологии. Эту гипотезу развивали несколько ученых и у нас, и за границей, но первую работу на эту тему опубликовал в 1979 году Алексей Старобинский, сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау.

—Можно надеяться, что в ближайшие пять—десять лет будет найдено прямое подтверждение инфляционной гипотезы,—говорит Рубаков.—Заключается оно в следующем. Кроме электромагнитных полей есть гравитационное поле. И в нем тоже есть флуктуации. Вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их тоже можно заметить, наблюдая реликтовое излучение. И тогда это будет окончательный триумф инфляционной гипотезы.

Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего-то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии—нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического стал гигантским: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше—мы видим меньше одной сотой ее части.

Немного наивно, но наглядно раздувание пузыря Вселенной можно представить так: если бы мы жили на поверхности воздушного шарика, который надувают, то мы бы стали отъезжать друг от друга. Произошло почти мгновенное растягивание всех масштабов. Неизвестная энергия, вызвавшая раздувание, перешла в тепло. Вселенная разогрелась и началось то, что в старой космологии называлось Большим взрывом.

—В рамках современной космологии нет никакого однократного начала мира,—говорит Алексей Старобинский.—Есть только переход из какой-то пока неизвестной предыдущей стадии. В какой-то момент возникает пузырь, потом он раздувается. Часть этого пузыря—наша Вселенная. Но видно, что и до этого что-то было и после будет. Все это похоже на такую картинку: кипит вода, в ней все время возникают пузыри. Этих пузырей много. Некоторые из них разрастаются. И можно сказать, что это пространственно-временная пена.

После Большого взрыва ускорение Вселенной тормозилось гравитацией, но семь миллиардов лет назад наш мир опять стал расширяться ускоренно. Математически и начало раздувания, и нынешнее состояние описываются практически одинаково. Таким образом, Темная энергия очень естественно ложится в инфляционный сценарий. Другое дело, что мы не можем объяснить, почему она так себя ведет. То есть мы не знаем физическую природу Темной энергии.

—Но это мы не знаем,—говорит Старобинский,—а природа-то знает.

ВСЕЛЕННАЯ МНОЖЕСТВЕННОЕ ЧИСЛО

Вселенная в описании инфляционной гипотезы выглядит совсем иначе, чем в старой космологии (основоположником которой тоже можно считать нашего соотечественника Александра Фридмана). Главное философское следствие—множественность вселенных. Оказывается, что наш «пузырь»—это отнюдь не весь мир, а только маленькая его часть. Можно ли в таком случае выйти за его границы и попасть в «параллельный мир»?

Математически это выглядит так, что между «пузырями» всегда есть инфляционные области. А там пространство расширяется так быстро, что никакой сигнал не может успеть его преодолеть. Практически это и означает, что из одной части Вселенной в другую попасть нельзя. Для этого нужно каким-то образом попасть назад в прошлое, в доинфляционную стадию, и только потом пойти в будущее по новому «пузырю». Это сейчас представляется физикам невозможным.

Из новой космологии также следует, что возможны вселенные с другими свойствами: с большим числом измерений или с другими квантовыми законами. Вы кидаете кубик много раз, и он в конце концов упадет каждой из сторон. В случае со Вселенной никто не знает, сколько сторон у этого кубика.

НЕСКОЛЬКО МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ ВСЕ БУДЕТ СПОКОЙНО

Из всей новой космологии есть очень важное для нашего мира следствие: вариантов будущего Вселенной множество. Можно привести мнение всех трех наших экспертов по этому поводу:

—Все модели связаны с вопросом, стабильна ли Темная энергия,—говорит Владимир Лукаш.—Если стабильна, то все будет разлетаться, другие галактики уйдут за горизонт событий, то есть свет оттуда не прилетит к нам никогда. А наша Галактика будет такой: в центре—черная дыра, а вокруг—мертвые звезды. Но если Темная энергия нестабильна, то возникают и другие варианты.

—За несколько десятков миллиардов лет ничего особенного со Вселенной не случится. Она будет продолжать расширяться,—утверждает Алексей Старобинский.—А что будет потом? Трудно сказать. Мы не понимаем физической природы Темной энергии. Мы не знаем начальных условий уравнений, а что более важно—мы не знаем самих уравнений. Мы ничего не можем сказать о том, устойчива она или нет и как поведет себя со временем.

—Завтра ничего не произойдет,—подытожил Рубаков,—а через 20—30 миллиардов лет у Вселенной могут быть законы, отличные от современных.

Тему номера подготовил
Алексей ТОРГАШЕВ

В материале использованы фотографии: EAST NEWS/MASTERFILE

Источник: www.kommersant.ru

Состав Вселенной

Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Сгустки размером с галактику

Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

Подходы и методы исследования частиц темной материи

На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит  в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Природа темной материи и черных дыр

Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.

Кандидаты на роль «Темной энергии»

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

Источник: SpaceGid.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.