Существует ли томная энергия? радиохимия

IT News

ДатаКатегория: Наука

24 Янв 2017

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.

Обратите внимание

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.

Важно

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?

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.

Совет

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.

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.

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.

Источник: http://Information-Technology.ru/science-news/6245-prostoe-ob-yasnenie-temnoj-energii

#чтиво | Темная энергия — вымысел?

В этой статье мы будем защищать темную энергию. Она доминирует во вселенной, она абсолютно абсурдна, но она крайне необходима физике. Сложный вопрос, решения которого пока нет. Тем не менее мы попробуем пролить свет на самые темные и самые светлые стороны этого вопроса. Является ли темная энергия выдумкой, притянутой за уши?

Идея темной энергии настолько смешная, что практически любой вопрос относительно ее существования начинается с «зачем она нужна?». Никто не хочет верить в темную энергию, но у него нет выбора. В самом деле, что за абсурд: во вселенной существует огромное количество некого «вакуума», который «растягивает» ее изнутри?

В середине 90-х годов космологи решили, что знают все. Темная материя была известна с 1920 года, и самые уважаемые физики считали, что Вселенная состоит из комбинации обычной и темной материи. Поскольку гравитация притягивает, очевидно, материя должна стягивать Вселенную.

В то же время несколько команд ученых наблюдали за взрывами далеких сверхновых.

Сверхновые (типа Ia, если быть точным) — на самом деле весьма полезные маяки во Вселенной, поскольку: а) они очень яркие, а значит, их можно заметить издалека; и б) зная наверняка, насколько они яркие, можно определить, как далеко они находятся.

Мы можем измерить красное смещение сверхновых и определить, насколько расширилась вселенная с момента их взрыва. А комбинируя расширение вселенной и дистанцию, мы можем определить, как быстро вселенная замедляется.

Да только не получилось.

В 1998 году команда исследователей High-z Supernova Search объявила в рамках проекта Supernova Cosmology, что, судя по их наблюдениям, вселенная ускоряется.

Последующие наблюдения подтвердили это, а виновника торжества окрестили «темной энергией».

Обратите внимание

Как и «темная материя», название должно подчеркнуть то, что мы не имеем никакого понятия, чем это явление является на самом деле. И вовсе не потому, что оно черного цвета.

Темная материя, как вы должны были уже понять, это «загадочная субстанция» (ее всегда так называют), которая заставляет вселенную ускоряться. Это не так смешно, как кажется на первый взгляд.

Вы знаете, что масса создает гравитационное поле, но общая теория относительности гласит, что любая форма энергии тоже так умеет. Еще более странным кажется то, что гравитация получает дополнительную мощь, если подключается давление.

В нормальных условиях мы этого не замечаем, поскольку даже в центре солнца давление крошечное, по сравнению с плотностью энергии.

Темная энергия — странный случай. Суть в том, что ее давление отрицательное, а значит ее чистая гравитация отталкивает. Было бы упущением не отметить, что темная энергия ближе всего к тому, что мы понимаем под антигравитацией. Это не антигравитация, но мы можем так сказать.

По самым оптимистичным оценкам, на долю темной энергии приходится 70 % от всей энергии во вселенной. При такой плотности частицы темной энергии должны появляться перед нашими глазами постоянно. Но как ни странно, нет.

Ни один детектор не может ее зафиксировать. Но это не означает, что мы никогда не видели ничего, похожего на темную энергию.

Как в случае с червоточинами пространства-времени, может быть, мы просто неправильно ее идентифицируем.

Квантовая динамика — одна из самых успешных теорий, когда-либо созданных человеком.

Важно

Она объединяет электромагнетизм и квантовую механику и предсказывает все, начиная от детальной структуры атома до магнитного напряжения электрона с фантастической точностью.

Также у нее есть плохая репутация производить массу бесконечностей в вычислениях. Это плохо, но ученые решили этот вопрос путем вычитания одной бесконечности из другой. Да, это хитрость. Да, это стыдно. Но это работает.

Одна из бесконечностей, которые вытекают из этой теории, связана с частицами и античастицами, которые постоянно рождаются из вакуума. Есть две хороших новостей и одна отвратительная по поводу «энергии вакуума» этих временных частиц.

Первая клевая вещь — у нее есть отрицательное давление, которое необходимо, чтобы быть темной энергией. Вторая — это не выдумка. Мы можем наблюдать эффект Казимира в лаборатории.

Две металлические пластины в вакууме будут притягиваться, поскольку за пределами пластин больше вакуумных флуктуаций, чем между ними.

Плохая новость заключается в том, что любая оценка энергии вакуума дает плотность энергии в 10^100 раз больше, чем плотность, которая вытекает из измерений ускорения сверхновых (даже если немного округлить «бесконечность»). Это огромная проблема. Это одна из самых больших проблем в физике.

Можно предположить, что вселенная не ускоряется вообще. Пусть самые далекие сверхновые отличаются от тех, что находятся рядом с нами, и этот странный эффект заставляет нас думать, что вселенная ускоряется. Физики думали об этом, но наличие сверхновых не единственное доказательство, чтобы стать верующим.

Выдумали ли физики темную энергию?

Одним из лучших доказательств того, что мы имеем, является измерение космического микроволнового фона. Это излучение Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет. Мы можем наблюдать столкновения горячего и холодного тех времен так, словно наблюдаем за волнами на воде.

Поскольку свет этого излучения путешествовал на протяжении всей истории вселенной, прежде чем попасть в наши телескопы, мы можем использовать эту информацию, чтобы восстановить форму вселенной с невероятной точностью. Она «плоская», кстати.

Совет

Что это дает нам? То, что мы видим, что обычная и темная материи вкупе дают только 30 % энергии, которая необходима, чтобы сделать нашу вселенную «плоской», остальное должно приходиться на долю той самой темной энергии. Но и это еще не все.

От распределения галактик и гравитационного линзирования до количества далеких кластеров галактик, каждый пункт доказательства говорит в пользу существования темной энергии.

Если вы хотите избавиться от темной энергии, вам нужно избавиться от относительности. Вы можете попробовать, но гораздо проще будет выяснить, что такое темная энергия.

Проблема в том, что физики честно не знают объяснения. Одним может быть то, что эйнштейновская «космологическая постоянная» была верна с самого начала, и просто-напросто связана куда сложнее с нашей теорией гравитации. Другое — темная энергия жидкая, и ее давление меняется от места к месту и время от времени. До сих пор нет никаких доказательств ни одному, ни другому объяснению.

Но если энергия вакуума так велика, почему темная энергия так мала? Этого тоже никто не знает. Есть предположения, что это просто антропный принцип в действии. Возможно, во всех вселенных есть больше или меньше темной энергии, но те, в которых больше ее, ускорились так быстро, что ни звезды, ни другие сложные структуры не успели сформироваться.

Попробуем сформулировать вопрос по-другому. Может быть ускорение вселенной быть реальным, но так, чтобы ее растягивало снаружи? Проблема в том, что у вселенной нет никакого снаружи. Куда бы вы ни пошли, везде вы найдете себя.

Читайте также:  Как не стать энергетическим донором? оставаться адекватным

Представьте себе, что наша вселенная — тесто для пиццы, и кто-то пытается раскатать его. Что произойдет? Края будут удаляться от нас с ускорением, но грибочки рядом будут держаться более-менее вместе.

Это потому, что у гравитации есть локальная кривизна в пространстве-времени, и что-то — назовем это темными энергетическими дрожжами — расталкивает все грибы. В общем, физики не знают, что это за дрожжи.

А вы зато знаете их маленький позорный секрет.

Источник: https://Hi-News.ru/science/chtivo-temnaya-energiya-vymysel.html

Темную материю назвали продуктом распада темной энергии

«Если Эйнштейн прав на 100%, то темная энергия неизменна и вечна. Но что, если он прав только, скажем, на 99,99%? – задается вопросом первый автор статьи, главный научный сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау Алексей Старобинский.

– Темной энергии в природе так много, что если бы даже ничтожная доля ее за 14 миллиардов лет, прошедших с периода Большого Взрыва, распалась на известные элементарные частицы, в том числе на фотоны – кванты света, то это был бы колоссальный новый источник полезной для человечества энергии».

Наблюдения показывают, что современная темная энергия качественно не отличается от первичной темной энергии, которая существовала на самых ранних этапах жизни Вселенной до Большого Взрыва, хотя их плотности энергии разнятся колоссально.

Первичная темная энергия заведомо была метастабильной и давно распалась. Это позволяет предположить, что и современная темная энергия может проявлять те же свойства. Впрочем, наблюдения показали, что такой сценарий скорее всего невозможен.

В своей работе физики рассмотрели три возможных канала распада темной энергии. Первый подразумевает, что она распадается в точности как радиоактивные ядра – по экспоненциальному закону – на нечто, подобное ей самой (то есть бесструктурное), но имеющее другое уравнение состояния.

Во втором случае предполагается, что темная энергия переходит в темную материю.

Обратите внимание

Согласно третьему варианту, темная энергия распадается на гипотетическое темное излучение, которое качественно похоже на обычное излучение, но состоит из других безмассовых или очень легких частиц, практически не взаимодействующих с видимой материей.

«Анализ показал, что вторая модель лучше остальных позволяет объяснить как существующие космологические параметры наблюдаемой Вселенной, так и ее эволюцию в прошлом.

Из нее вытекает, что время полураспада темной энергии по этому каналу не менее, чем в 17 раз превосходит возраст Вселенной.

Другими словами, если распад темной энергии на темную материю и происходит, то он идет очень медленно», – поясняет Старобинский полученные результаты.

Стандартная модель предполагает, что космологическая постоянная строго неизменна. Проверить, так ли это, можно, измеряя так называемые барионные осцилляции – определенные корреляции в пространственном распределении далеких объектов, например, галактик или квазаров.

Эти корреляции возникают из-за того, что в эпоху горячего Большого Взрыва Вселенная была однородной и изотропной. Если независимые наблюдения барионных осцилляций в более обширных группах далеких галактик и квазаров, а также другие тесты не опровергнут этот результат, его можно будет считать подтверждением описанной модели.

В этом случае теоретические расчеты физиков предсказывают, что время полураспада темной энергии на темную материю конечно и составляет примерно 450 миллиардов лет.

Источник: https://indicator.ru/news/2018/02/01/kosmologicheskaya-postoyannaya-izmenyaetsya/

Действительно ли существует тёмная энергия? (Часть 1)

В науке самые великие революции зачастую вызываются мелкими несоответствиями. В 16 веке, основываясь на том, что многими его современниками называлось эзотерическими деталями движения небесных тел, Коперник предположил, что Земля расположена вовсе не в центре вселенной. В наши дни, на наших глазах, разворачивается другая революция.

Она началась 11 лет назад с открытия ускоряющейся вселенной. Крошечное отклонение яркости взрывающихся звезд принудило астрономов к пониманию того, что они понятия не имеют, из чего состоят 70 процентов космоса.

Всё, что они могли сказать, это то, что космос заполнен веществом которое в отличие от любого нормального вещества, приводит к расширению вселенной, вместо того, чтобы сдерживать его. Это вещество было названо темной энергией.

Сегодня, несмотря на прошедшее десятилетие, существование темной энергии все еще является настолько озадачивающим, что некоторые космологи повторно проверяют фундаментальные постулаты, которые принудили их к выводу об существования этой энергии.

Один из таких постулатов — продукт более ранней революции — принцип Коперника, гласящий что Земля не находится в центре или другой специальной точке вселенной.

Если мы отказываемся от этого основного принципа, то появляются удивительные различные картины строения вселенной.

Большинство из нас очень знакомо с идеей, что наша планета — не что иное, как крошечное пятнышко, вращающееся вокруг обычной звезды, расположенной на краю ничем не примечательной галактики.

Важно

Мы полагаем, что во вселенной населенной миллиардами галактик, которые разбросаны вдоль нашего космического горизонта, нет ничего специального или уникального в местоположении Солнце.

Каковы же доказательства для этого космического смирения? И как мы можем доказать, что мы находимся в специальной точке? Астрономы типично заминают эти вопросы, предполагая то, что наша типичность не требует дальнейшего обсуждения.

Для многих людей невероятно само понятие того, что у нас, фактически, может быть специальное положение во вселенной. Однако, именно это понятие недавно рассматривалось некоторыми группами физиков.

Как ни странно, принятие того, что мы незначительны, предоставило космологам большую объяснительную мощь. Это позволило им экстраполировать то что они видят возле Солнца на всю вселенную.

Огромные усилия были предприняты для строительства современных моделей вселенной, основанных на космологическом принципе обобщения принципа Коперника, который заявляет, что в любой момент вовремя все точки и направления в космосе одинаковы.

Объединяя наше современное понимание космоса со временем и материей, космологический принцип подразумевает, что космос расширяется, и вселенная становится всё более прохладной и что она населена реликвиями её горячего начала, что подтверждается наблюдениями.

Астрономы обнаружили, что свет отдаленных галактик является более красным, чем свет из соседних галактик. Это явление, названное красным смещением, аккуратно объяснено растягиванием световых волн из-за расширения космоса.

Кроме того, микроволновые сенсоры показывают почти совершенно гладкий фон радиации — космический микроволновый фон, пережиток Большого Взрыва.

Совет

Справедливости ради стоит отметить, что эти успехи — частично результат нашего собственного смирения, чем меньше мы упоминаем о нашей значимости, тем больше мы можем сказать о вселенной.

Темнота приближается

Итак, зачем раскачивают лодку? Если космологический принцип настолько успешен, почему мы должны подвергать его сомнению? Проблема состоит в том, что недавние астрономические наблюдения привели к некоторым очень странным результатам.

За прошлое десятилетие астрономы обнаружили, что для данного красного смещения отдаленные взрывы сверхновых выглядят значительно темнее, чем ожидалось. Красное смещение измеряет расширение космоса. Измеряя красное смещение отдаленных сверхновых, космологи могут вывести, насколько маленькой была вселенная во время взрыва по сравнению с её сегодняшним размером.

Чем больше красное смещение, тем меньше вселенная была тогда когда произошёл взрыв и следовательно тем больше расширилась вселенная.

Наблюдаемая яркость сверхновой звезды показывает её отдалённость, которая в свою очередь показывает, сколько времени прошло с того момента, когда произошёл взрыв. Если сверхновая звезда с данным красным смещением выглядит более тусклой, чем предполагали астрономы, то в принципе она должна находится дальше.

Её свету потребовалось больше времени, чтобы дойти до нас и, следовательно, вселенной потребовалось больше времени, чтобы вырасти до текущего размера. Следовательно, в прошлом темп расширения вселенной должен был быть меньше.

Фактически, отдаленные сверхновые достаточно тусклы и, следовательно, текущее расширение вселенной должно было ускориться, что бы соответствовать современным темпам расширения.

Это ускоряющееся расширение стало большим сюрпризом, принёсшим революцию в космологию. Ткань пространства-времени должна тормозить материю вселенной, однако данные наблюдения сверхновых звезд выглядят совсем иначе.

Если космологи принимают космологический принцип и предполагают, что это ускорение происходит повсюду, то нас заставляют прийти к заключению, что во вселенной должна существовать экзотическая форма энергии — темная энергия, которая является источником отталкивающей силы.

В стандартной физической модели элементарных частиц и сил не встречается ничего похожего по описанию на темную энергию. Это – вещество, пока еще никем не измеренное, имеет свойства отличные от чего-нибудь, что мы когда-либо видели, и имеет плотность энергии приблизительно в 10120 раз меньше, чем мы наивно ожидали.

У физиков имеются идеи насчёт того, что это могло бы быть, однако эти идеи так и остаются ничем не подкреплёнными гипотезами. Короче говоря, в вопросах тёмной энергии мы бродим в потёмках. Учёные разрабатывают несколько дорогих честолюбивых наземных и космических программ, направленных на поиск и определение темной энергии, независимо оттого, что она из себя представляет.

Для многих учёных эта самая большая проблема, стоящая перед современной космологией.

Светлая альтернатива

Обратите внимание

Столкнувшись кое с чем столь странным и, по-видимому, столь невероятным, некоторых исследователей повторно пересматривают исконные рассуждения. Одно из первичных предположений, которые они подвергают сомнению — живем ли мы в особой части вселенной. Можно ли получить доказательства темной энергии другими способами или мы должны покончить с космологическим принципом?

Обычно мы говорим о расширении вселенной в целом. Это очень походит, когда мы говорим о взрыве воздушного шара: мы обсуждаем, насколько большим стал весь воздушный шар, а не то насколько раздувается каждый отдельный участок воздушного шара.

Однако у нас у всех был опыт с раздражающими воздушными шарами, которые раздуваются неравномерно. Центр расширяется быстрее, а концы медленнее. В альтернативном представлении вселенной, которая выбрасывает за борт космологический принцип, космос также расширяется неравномерно.

Таким образом, появляется более сложная картина космоса.

Неравное расширение космоса, вызванное изменениями в плотности материи в гигантских масштабах, может оказать влияние, которое астрономы традиционно приписывают темной энергии.

Рассмотрим следующий сценарий, который впервые был предложен Джорджем Эллисом (George Ellis), Чарли Хеллаби (Charles Hellaby) и Назимом Мустафой (Nazeem Mustapha) из университета Кейптауна в Южной Африке, и впоследствии развитый Парижской Обсерваторией.

Предположим, что темп расширения замедляется повсюду, по мере того как материя тормозит его в пространстве-времени. Далее предположим, что мы живем в гигантской космической пустоте, которая конечно не полностью пуста, однако её средняя плотность материи в два, а то и в три раза меньше плотности в другом месте.

Чем более пуст участок, тем меньше материи он содержит, чтобы замедлить расширение места; соответственно, местный темп расширения будет быстрее в пределах пустоты, чем в другом месте. Самый быстрый темп расширения наблюдается в самом центре пустоты и уменьшается к краю, где начинает проявляться более высокая плотность.

В любой момент времени различные части космоса расширяются с различной скоростью, совсем как неравномерно надутый воздушный шарик.

Теперь вообразите сверхновые, взрывающиеся в различных частях этой неоднородной вселенной, некоторые близко к центру пустоты, другие ближе к краю, а некоторые вне пустоты.

Важно

Если мы находимся около центра пустоты, а сверхновая звезда находится ближе к краю, то космос возле нас расширяется быстрее, чем это делает космос возле сверхновой звезды. Когда свет идёт от сверхновой звезды к нам, он проходит через области, которые расширяются быстрее. Каждая область вытягивает свет.

Совокупный эффект выражается в наблюдаемом красном смещении. Свет, путешествующий на данное расстояние, имеет меньшее красное смещение чем, это было бы, если бы целая вселенная расширилась с нашим местным темпом.

Читайте также:  Достойны ли осуждения действия правительства ссср накануне войны?

И наоборот, чтобы достигнуть определенного красного смещения в такой вселенной, свет должен путешествовать на большее расстояние, чем в однородно расширяющейся вселенной, тогда сверхновая звезда должна находиться дальше и поэтому казаться более тусклой.

Другое объяснение состоит в том, что изменение ускорения подражает изменению времени. Таким образом, космологи могут объяснить неожиданные наблюдения сверхновых звезд, не используя темную энергию.

Для работы такого альтернативного объяснения мы должны были бы жить в пустоте поистине вселенских масштабов. Наблюдения сверхновой звезды простираются на миллиарды световых лет — существенная часть всей видимой вселенной.

Пустота должна была бы иметь такой же размер.

По материалам Scientific American

Источник: https://infuture.ru/article/2034

Тёмная энергия

Поскольку Вселенная расширяется не с замедлением, что вполне логично, а наоборот, ускоряясь, нужно было это объяснить. Для решения проблемы была придумана тёмная энергия, которая уравновешивает положения математической модели Вселенной.

Сущность этого вида энергии заключается в неизменности энергетической плотности, заполняющей пространство. То есть, тёмная энергия является космологической константой, характеризующей некоторые свойства вакуума. Она больше похожа на антигравитацию, увеличивая темп расширения Вселенной.

Тёмная энергия сама себя расталкивает, ускоряя разбегание стандартной галактической материи. Но она же имеет отрицательное давление, дающее веществу силу, не позволяющую веществу «растягиваться». Наблюдения за сверхновыми звёздами типа Ia показывают, что Вселенная расширяется с ускорением.

Другие наблюдения, в частности, за реликтовым излучением, подкрепили эти выводы.

Наблюдения сверхновых

В конце второго тысячелетия обнаружился любопытный факт свойств сверхновых звёзд в удалённых галактиках. А именно, они имели яркость, которая была ниже положенной им по статусу. Расстояние до галактик, получалось больше, чем вычисленное по параметрам Хаббла.

 Стало ясно, что расширение Вселенной идёт с ускорением. Это шло вразрез теории о замедлении расширения. Она основывалась на том, что главная часть массы Вселенной – материя, видимая и тёмная.

Но только наличие невидимых энергий позволяло объяснить нестандартное ускорение.

Энергия и масса

Предположение о том, что тёмная энергия существует, решила много проблем. В частности, было объяснено присутствие невидимой массы.

Все теории формирования структур Вселенной основаны на критической плотности, необходимой для того, чтобы её форма была плоской. А общей плотности барионной и тёмной материй всего 30%.

 Все произведённые исследования показывают, что форма Вселенной подобна плоскости. Из этого выходит, что оставшиеся 70% всей плотности даёт тёмная энергия.

Что из себя представляет тёмная энергия

Природа тёмной энергии пока не ясна. Очевидно лишь то, что при малой плотности её распределение очень равномерно. Она не проявляет какого-либо взаимодействия с обычной материей, исключая гравитационное.

 При гипотетической плотности 10-29г/см3, обнаружение тёмной энергии практически невозможно. Глобальное влияние её на вселенское пространство реально только из-за однородного его заполнения.

Космологическая постоянная

У каждого пространственного объёма должна быть фундаментальная, присущая именно ему, энергия. Она носит название энергии вакуума, так как она – энергетическая плотность чистого вакуума. Это космологическая постоянная, введение которой позволило построить нынешнюю модель космологии. Пока она неплохо соответствует существующим космологическим наблюдениям, объясняя наличие тёмной энергии.

Источник: http://light-science.ru/fizika/tyomnaya-energiya.html

Темная материя и Темная энергия

Открытия в космологии обычно проходят в два этапа. На первом исследуется сама суть вопроса: существует ли это нечто? На втором ставится вопрос: что это такое? В случае с темной материей большинство ученых уверено, что первый этап пройден. Если же говорить о темной энергии, то так далеко они пока не продвинулись.

СКРЫТАЯ МАССА

Первым, кто указал на возможность существования темной материи, был швейцарский астроном Фриц Цвикки. В 1932 году он изучал скопление Волосы Вероники.

Исследуя движение галактик, вращавшихся вокруг его центра, Цвикки вычислил, сколько материи требуется, чтобы поддерживать их гравитационную связь.

Проанализировав их излучение и рассчитав общее количество имевшихся звезд, он обнаружил, что большей части массы не хватало.

Открытие Цвикки должно было бы вызвать громадный интерес, но из-за его раздражительного характера коллеги-ученые его не любили, поэтому это открытие, как и многие другие, сделанные им, были проигнорированы.

СПИРАЛЬНАЯ ЗАГАДКА

Пройдет еще 40 лет, когда другой ученый снова займется изучением скрытой массы. Этим ученым окажется Вера Рубин, работавшая на кафедре геомагнетизма Института Карнеги в Вашингтоне.

С помощью высокочувствительного спектрографа, сконструированного ее коллегой физиком Кентом Фордом, Рубин изучала движения звезд в спиральных галактиках, лежащих на ребре. При расчете скорости этих звезд она отметила аномалию.

На удалении от центра галактики звезды не замедлялись, как считалось ранее.

Ученые полагали, что звезды в центре, где скоплена большая часть массы, врашаются гораздо быстрее, чем во внешних областях (как планеты в планетарных системах).

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Рубин поняла, что во внешнем гало спиральных галактик должна концентрироваться та же масса, что и в ярко сверкающем центральном диске. Однако увидеть ее невозможно, поскольку речь идет о темной материи.

Совет

По-началу эти рассуждения были встречены скептически, но дальнейшие исследования подтвердили выводы Рубин и Форда.

Анализ газа в скоплениях галактик с помощью рентгеновской обсерватории «Чандра» показал, что темной материи в 10 раз больше, чем вещества, имеющего излучение. Оказалось, что Цвикки был целиком прав.

Для более точного подсчета темной материи было разработано гравитационное линзирование. Этот метод впервые предложил также Цвикки. Все указывало на то, что темной материи было гораздо больше, чем видимого вещества. Правда, если вопрос о самом существовании темной материи больше не стоял, наука пока не могла объяснить, что же это такое.

СТРАННЫЕ ЧАСТИЦЫ

Считалось, что некоторая часть темной материи может включать нейтрино, черные дыры и плотные образования, названные «массивными объектами гало галактик» (МАСНО), такие как коричневые карлики.

Профессор астрономии из Принстонского университета в Нью-Джерси Джерри Острикер считает, что «мы не знаем, что такое темная материя, зато мы знаем о том, что к ней точно не относится».

У темной материи есть масса, говорит он, но она не участвует в электромагнитном взаимодействии с другой материей, поэтому не излучает и не поглощает свет.

Во-вторых, она не содержит обычных элементарных частиц, о которых мы знаем, поэтому, возможно, она состоит из каких-то странных частиц, которые пока не открыты. Ученые называют такие частицы «слабовзаимодействуюшими массивными частицами» (WIMP). Предпринимаются попытки обнаружить их, но на сегодня результаты пока нулевые.

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Впереди ученых ожидали два новых удара.

Удар № 1: по картам космического фонового излучения вывели форму Вселенной, что дало основание считать, что масса Вселенной намного больше, чем предполагалось ранее.

Обратите внимание

Удар № 2: изучая красное смешение сверхновых типа 1i в попытках определить скорость расширения Вселенной, астрофизик Сол Перлмуттер, возглавлявший Космологический проект по изучению сверхновых звезд в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, сделал открытие.

Он обнаружил, что эти сверхновые были на самом деле на 17-25 % более тусклыми, чем предполагалось по теории Большого взрыва. Они находились от нас дальше, чем показывали прежние прогнозы, стало быть, скорость расширения Вселенной растет. Должна существовать отрицательная гравитация.

Ее нарекли темной энергией, и все ученые мира принялись за формулировку теории.

КОСМОС УСКОРЯЕТСЯ

Одно из объяснений, что такое темная энергия, может заключаться в том, что после Большого взрыва она была доминирующей силой, но с расширением Вселенной ее гравитация ослабла.

По мере того как плотность пространства уменьшилась примерно 6 млрд лет назад, темная энергия взял верх, и расширение Вселенной стало ускоряться.

Другая гипотеза требует повторного введения космологической постоянной Эйнштейна, указывающей на то, что пространство само противодействует гравитации.

Еще одна теория описывает темную энергию как форму отрицательного давления или такой тип силового поля (как электромагнетизм), называемый квинтэссенцией, который отталкивает материю.

Поскольку энергия и масса взаимозаменяемы (по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc²), темная энергия может составлять большую часть массы во Вселенной — чуть ли не до 73 %. А вот темная материя охватывает меньше 27 %, тогда как звезды, газ и пыль вместе дают оставшуюся часть (0,5%). Какое из решений правильное, ученым пока еще только предстоит решить.

    4563      

Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Источник: http://mir-znaniy.com/temnaya-materiya-i-temnaya-energiya/

Тёмная энергия

О доводах в пользу существования тёмной материи и энергии рассказывает Валерий Рубаков, академик РАН, профессор кафедры квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ.

Ещё совсем недавно Лев Ландау утверждал, что космология «часто ошибается и никогда не сомневается». Но теперь ситуация изменилась, ведь за последние годы космология превратилась в точную науку и способна давать количественные ответы. Новые возможности в области астрономии позволяют нам делать вполне определенные выводы о некоторых этапах существования Вселенной.

На сегодняшний день главной головоломкой в космологических построениях считаются скрытые формы энергии, к которым традиционно причисляют темную материю и темную энергию. Несмотря на то, что о темной энергии и материи известно мало, сомневаться в том, что они есть, не приходится.

В пользу этого говорит ряд косвенных признаков их существования.

О них нам рассказывает Валерий Рубаков, академик РАН, профессор кафедры квантовой статистики и теории поля физического факультета МГУ, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН.

Темная материя составляет около 23% массы Вселенной и практически не излучает фотоны ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, за что и называется «темной». Поясняет В.Рубаков: «Под «обыкновенной» материей мы понимаем ту, которая подчиняется закону Ньютона и испытывает такие же гравитационные воздействия, как и обычное вещество.

Важно

Но выяснилось, что большая часть «обычного» вещества во Вселенной имеет неизвестную нам физическую природу. Его принято называть «темной материей». Происхождение этого термина объясняется просто: частицы темной материи не излучают свет, потому что не несут электрического заряда. Таким образом, это не фигура речи, а действительно характеристика её свойств.

Вероятно, темная материя состоит из неизвестных современной науке элементарных частиц».

Темная материя проявляет себя гравитационными эффектами. Измерения скорости вращения удалённых звезд вокруг галактики свидетельствуют о том, что её масса не сосредоточена там, где есть обычное (светящееся) вещество, а распределена по большему пространству. И реальная масса галактики больше, чем масса видимого вещества.

Таким образом, темная материя собирается в галактиках и влияет на вращение звезд в них. «Темная материя имеет такие же свойства, что и обычная: она собирается в сгустки, концентрируется и притягивает вещество и свет. В местах скоплений темной материи и образуются галактики и скопления галактик.

Гравитационные эффекты, которые проявляет темная материя, и помогли её обнаружить,» — объясняет Валерий Рубаков.

Валерий Рубаков

Итак, гравитационно она взаимодействует так же, как и обычное вещество, барионная материя, то есть подчиняется закону Ньютона.

Всё остальное (предположения о том, что частицы темной материи должны быть намного тяжелее обычного протона, что время их возникновения, скорее всего, относится к периоду ранней Вселенной и т.д.) – лишь гипотезы и предположения.

Свойства темной материи практически неизвестны, поэтому претендентов на то, чтобы быть её частицами – множество. Это нейтрино новых типов, аксионы, слабовзаимодействующие массивные частицы вимпы и другие элементарные частицы.

Совет

О количестве темной материи во Вселенной свидетельствуют также измерения анизотропии реликтового излучения.

Такие исследования проводятся, в частности, с помощью спутника WMAP (согласно данным «Википедии», «Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной»).

WMAP составил радиокарту неба на нескольких длинах волн от 1,4 см до 3 мм. Измерение анизотропии реликтового излучения дает представление о свойствах ранней Вселенной и позволяет измерить её параметры. Кроме того, становятся доступны данные и о плотности темной материи.

Читайте также:  Что такое «эффект выхино»?

Как заметил преподаватель кафедры небесной механики, астрометрии и гравиметрии МГУ, доктор физико-математических наук М. Сажин, «если плотность всего вещества нашей Вселенной принять за единицу, то плотность невидимой холодной темной материи составит примерно 23%».

Оказалось, что полученные точные данные о составе обычной материи не соответствуют темпам расширения Вселенной. По последним данным, «обычная» материя обеспечивает лишь около 1/4 расширения Вселенной. «Объяснением этого феномена могут, в принципе, служить два факта, — считает В. Рубаков. — Или недостающий вклад в параметр Хаббла объясняется искривлением трехмерного пространства, или во Вселенной существует неизвестная науке форма энергии, которая получила название «темной энергии»».

WMAP

Вселенная расширяется. Расширение заключается в том, что космическое пространство равномерно «расползается», увеличивается. Началом расширения Вселенной считается Большой взрыв. Долгое время предполагалось, что расширение Вселенной происходит с замедлением. И почти никто в этом не сомневался.

Но в конце 90-х годов прошлого века выяснилось, что это не так. Галактики, удаленные от нашей планеты, убегают тем быстрее, чем дальше расположены. Кроме того, чем дальше они от нас, тем более красными они выглядят, что объясняется эффектом Доплера.

Темп расширения выражается параметром Хаббла, который к началу 90-х годов прошлого века был измерен достаточно точно. Например, галактика, расположенная на расстоянии 1 миллиард световых лет от нас, удаляется со скоростью 24000 километров в секунду. «Параметр Хаббла, — объясняет В.

Обратите внимание

Рубаков, — определяется двумя характеристиками Вселенной: общей плотностью энергии всех форм материи и кривизной трехмерного пространства. Кроме того, роль играет и возраст Вселенной: с течением времени параметр Хаббла уменьшается, и сейчас Вселенная расширяется гораздо медленнее, чем миллиарды лет назад.

Что касается пространства, то мнение о том, что оно непременно должно быть евклидово, несправедливо. Кривизна пространства в процессе расширения так же важна, как и плотность энергии».

Но в конце двадцатого века гипотеза о важности вклада кривизны пространства в параметр Хаббла была отвергнута благодаря астрономическим наблюдениям. Из исследований группы С. Перлмуттера и группы А. Райса и Б. Шмидта удаленных сверхновых звезд доподлинно стало известно, что Вселенная расширяется с ускорением.

Но кривизна пространства не может вызывать ускорение расширения. Поэтому почти все согласились с тем, что за оставшиеся 3/4 расширения отвечает именно темная энергия. Это повысило интерес к попыткам её обнаружения и вызвало появление множества гипотез о её природе.

Однако известно лишь несколько свойств темной энергии.

«Первое, — рассказывает В. Рубаков, — это равномерное распределение в пространстве. Темная энергия, в отличие от обыкновенной, не имеет свойства концентрироваться и образовывать сгустки. Темная энергия разлита в пространстве равномерно, но не стоит это понимать буквально.

В определенных участках пространства её плотность может быть выше, чем в других, а где-то, напротив, она больше разрежена. Но преимущественно, темная энергия все же однородна, поскольку эти отклонения очень малы и в масштабах Вселенной они несущественны.

Второе свойство темной энергии заключается в том, что она заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Природа обычной энергии такова, что заставляет частицы вещества испытывать гравитацию. При разлете частицы обычного вещества со временем двигаются всё медленнее, поскольку, подчиняясь закону гравитации, притягиваются к центру.

Темная энергия, напротив, заставляет галактики удаляться с ускорением. Вселенная расширяется с ускорением именно за счёт темной энергии. То, что для темной энергии характерно гравитационное отталкивание, а не притяжение, объясняет ускорение расширения Вселенной и равномерное распределение темной энергии в пространстве.

Если и существуют участки с большей плотностью, то из-за отталкивания они разглаживаются. Третье свойство темной энергии тоже необычно: её плотность не зависит от времени, хотя за последние 8 миллиардов лет Вселенная увеличилась в два раза. На ранних этапах эволюции Вселенная была более плотной и горячей.

Важно

Плотность обычной энергии была выше, а темной – такая же, как и сегодня. Поэтому тогда доля темной энергии составляла примерно 15%, в то время как сегодня эта цифра выросла до 73%. Значит, тогда доминировала обычная материя, и поэтому Вселенная замедляла расширение.

Этот факт позволяет сделать важный вывод об эволюции Вселенной: поскольку доля темной энергии увеличивается, и когда-нибудь она будет доминировать абсолютно, настоящее для Вселенной – это всего лишь переходный период в её развитии. Будущее, таким образом, именно за темной энергией».

Расширение Вселенной

На этом факты о темной энергии заканчиваются, и начинаются предположения. Некоторые гипотезы о природе темной энергии выглядят наиболее правдоподобными.

Одним из кандидатов на роль темной энергии является энергия вакуума. Теоретически, вакуум может обладать отличной от нуля энергией, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Его энергия, как и энергия других субстанций, испытывает гравитационное взаимодействие.

Почему на роль темной энергии подходит энергия вакуума? «Свойства энергии вакуума близки тем свойствам темной энергии, которые нам известны. Во-первых, в видимом пространстве Вселенной вакуум одинаков, то есть распределен в пространстве равномерно.

Его энергия, как и темная энергия, не обладает качеством концентрации, то есть не способна сгущаться и распределена везде одинаково.

Вторым аргументом в пользу того, что темной энергией могла бы быть энергия вакуума, является то, что она неподвластна времени, то есть изменениям, которые происходили на протяжении эволюции Вселенной.

Энергию вакуума изучает физика сверхмалых расстояний и времен, и расширение Вселенной никак на неё не влияет. Так же ведет себя и темная энергия. Стоит заметить, что то, что плотность энергии вакуума не зависит от времени и пространственного расположения – неоспоримый факт. И это важный плюс в пользу этого кандидата на звание «темной энергии»», — объясняет В. Рубаков.

Однако, многие оспаривают возможность того, что темная энергия – это энергия вакуума. И на это действительно есть свои причины. Например, аргументом «против» является очень малая плотность энергии вакуума, которая необходима для согласования теории с наблюдениями.

Совет

Темной энергией могут быть неизвестные поля. Неизвестные, так как те, которые мы знаем, не подходят по своим свойствам. К тому же, будь это известные нам поля, они давно обнаружили бы себя специфическими эффектами, их воздействие на вещество выдало бы себя.

Какими качествами должно обладать новое поле, чтобы подходить на роль темной энергии? «Во-первых, его энергетический масштаб должен быть равен 0,001 электронвольт. И в том, что мы вводим новый, удивительно малый масштаб, нет ничего предосудительного. Дело в том, что в природе возможно существование самых разных энергетических масштабов.

Во-вторых, новое поле должно быть легким, то есть его частицы должны иметь очень маленькую массу. Это объясняется тем, что плотность его энергии не должна меняться слишком быстро вследствие расширения Вселенной. Поскольку, напомню, темная энергия не реагирует на процессы, сопровождающие эволюцию Вселенной.

И третье, что должно быть свойственно новому полю – оно должно очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Легкость поля, его малая масса обеспечивает, при этом, большой радиус действия. — говорит В. Рубаков

Эти три условия непривлекательны для науки в силу своей «притянутости», но они имеют право на существование.

Тем более, эту гипотезу возможно проверить экспериментально: если при более точном измерении темпа расширения Вселенной (сейчас и в далеком прошлом) выяснится, что плотность темной энергии со временем все-таки меняется, это поможет с уверенностью отказаться от гипотезы об энергии вакуума.

К тому же, если обнаружится, что темная энергия распределена в пространстве неравномерно, это будет доказательством того, что она действительно является энергией нового поля.

Трудностью является то, что подтверждение или опровержение этой гипотезы невозможно получить в ходе земных экспериментов, так как это поле слишком слабо взаимодействует с веществом. На роль подобного легкого поля подходят «квинтэссенция» и «фантом». «Квинтэссенцией» физики называют такое поле, плотность энергии которого убывает со временем. «Фантомом» принято называть такой тип полей, плотность энергии которых, напротив, со временем растёт».

Обратите внимание

Ещё одно возможное объяснение состоит в том, что на самом деле нет никакой темной энергии. Термин «темная энергия», что бы он ни обозначал – некую субстанцию или же явление – употребляется для объяснения процесса ускоренного расширения Вселенной.

Новая форма энергии необходима, если Вселенная развивается по законам общей теории относительности (ОТО). А если её устройство не подчиняется ОТО, то «темная энергия» вообще становится не нужна.

Поскольку общая теория относительности точно «действует» на сравнительно небольших по космологическим меркам масштабах, нужно искать такую теорию гравитации, которая могла бы объяснить эволюцию Вселенной на поздних этапах её существования, и в то же время согласовывалась с ОТО на меньших масштабах длин и времен.

Несмотря на сложность темы, работы по ней уже есть, и некоторые из них заслуживают внимания. «Одним из вариантов, — говорит В. Рубаков, — является отказ от ньютоновской постоянной всемирного тяготения как от постоянной величины, для этого нужно принять факт её изменения во времени и пространстве.

Наиболее красивые попытки построить подобную теорию, увы, не имели успеха, потому что были опровергнуты экспериментально. При построении альтернативной теории, объясняющей устройство Вселенной, важно учитывать и то, что пространство может иметь не только три измерения, но и больше.

Второе, на что стоит обратить внимание, это то, что закон расширения Вселенной может измениться. Новая гравитация, таким образом, действительно является претендентом на роль темной энергии. Но не стоит забывать, что все построенные сегодня модели требуют экспериментального подтверждения».

О будущем Вселенной говорить сложно. Раньше предполагалось, что за ускорение расширения Вселенной на оставшиеся 3/4 от обычной материи отвечает кривизна пространства, и расширение Вселенной в будущем замедлится.

Теперь, когда известно, что это не так, есть несколько предположений о вариантах дальнейшего развития Вселенной. Если гипотеза о темной энергии как о новой теории гравитации верна, то сложно строить прогноз эволюции Вселенной.

Важно

В противном случае, если темная энергия связана с энергией вакуума или легкими полями – можно сказать несколько слов о том, как будет развиваться Вселенная.

«Есть несколько предположений о будущем Вселенной, — комментирует В. Рубаков. — Если «вакуумная» гипотеза о природе темной энергии верна, Вселенная будет расширяться непрерывно, почти все галактики, соседние с нашей, удалятся от нас, и мы окажемся во Вселенной в одиночестве.

В том случае, если темная энергия – квинтэссенция, расширение прекратится и, возможно, напротив, начнется сжатие – тогда может произойти «Большой взрыв наоборот» (сжатие Вселенной, увеличение плотности вещества в ней, разогрев. Так выглядел бы Большой взрыв, если бы мы «прокрутили фильм» о нем назад во времени).

А если же темная энергия – это фантом, то произойдет «большой разрыв», то есть расширение будет продолжаться с ускорением, и Вселенная станет «расщепляться»: распадутся скопления галактик, из отдельных галактик вырвутся звезды, от Солнечной системы отделятся планеты. Вселенная распадется, таким образом, на протоны и нейтроны.

Но, скорее всего, плотность энергии фантома останется ограниченной, и это очень интересный путь развития Вселенной. Рост плотности энергии со временем приводит к непредсказуемому поведению фантомного поля: на определенных участках его плотность может быть очень высокой, на других – очень низкой, а какие-то, возможно, испытают коллапс.

В таком случае судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область пространства она попадет».

Но в ближайшие 20 миллиардов лет, подчеркивает В. Рубаков, существенных изменений во Вселенной не произойдет. Так что, даже в космологических масштабах, ожидать перемен можно лишь в далеком будущем.

Источник computerra.ru

Нравится

Источник: http://victorpetrov.ru/tjomnaya-ehnergiya.html

Ссылка на основную публикацию