Тёмная энергия

Материал из Альманах "Покорение смыслов"
Перейти к: навигация, поиск

Темная энергия – физическая субстанция, гипотетическое введение которой должно объяснить экспериментальный факт прямых космологических наблюдений: расширение наблюдаемой Вселенной происходит с ускорением. До сих пор нет ясных признанных объяснений, что это такое. Под этим названием скрывается любая среда, порождающая такое явление как антигравитация. Происхождение: термин «тёмная» не означает, что данная субстанция нечто не светлое, в данном случае название означает скорее что-то неизвестное и необычное.

Содержание

[править] История открытия

Рис.1 Красное смещение в спектрах далёких Сверхновых:Сайт журнала "Наука и жизнь"
Рис.2 Состав Вселенной Рисунок с сайта:Ядерная физика в интернете

Гипотеза наличия тёмной энергии возникла после того, когда понадобилось как-то объяснить открытое в 1998 году явление ускоренного расширеня Вселенной[1][2][3][4].
После работ Александра Фридмана[5] и открытия Эдвином Хабблом[6] космологического расширения считалось, что Вселенная расширяется либо с постоянной скоростью, либо с течением времени замедляет общий темп расширения. После того, как появились инструменты, позволившие наблюдать вспышки сверхновых звёзд в очень удалённых галактиках, оказалось, что их яркость отличается от предсказанной теоретически (см. Рис.1). На представленном рисунке указана зависимость разницы между теоретически посчитанным значением яркости m и наблюдаемым экспериментально M от величины красного смещения Z. Если бы Вселенная расширялась по закону Хабла, то данная разница была бы всегда равна нулю[7]. Как видно из рисунка, наблюдаемые значения достаточно сложно зависят от величины красного смещения, более того, точки хорошо ложатся на кривую, которая построена на основании теоретической модели, с предположением, что примерно 73 процента Вселенной заполнено субстанцией порождающей антигравитацию, а 27 процентов субстанцией, порождающей обычное тяготение (гравитацию). Данная теоретическая модель предполагает, что Вселенная действительно ранее расширялась с замедлением, но в возрасте примерно 7 млрд лет (параметр красного смещения Z ~ 1 замедление расширения сменилось ускорением.
Впоследствии, факт ускоренного расширения Вселенной подтвердили наблюдения других космологических явлений, таких как: гравитационные линзы, исследования реликтового излучения. Стоит отметить, что ранее полученные данные о крупномасштабном распределении вещества во Вселенной также свидетельствовали о наличии некой распределённой, никак невозмущаемой веществом и тёмной материей субстанции с отрицательным давлением.


[править] Объяснение явления

[править] Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна - одна из последних созданных человечеством теорий в рамках классической картины мира. В наиболее общем виде она связывает непосредственно свойства самого пространства-времени со свойствами погружённых в это пространство вещества и энергии. Уравнения этой теории совершенный образец философской концепции монизма предполагающей, что совокупность явлений Природы должна объясняться как можно меньшим числом причин (лучше всего одной причиной). В дополнение к этому принципу, теория Эйнштейна предполагает мир в механистической картине, предполагающей в свою очередь, что любое изменение чего-либо в мире должно обязательно иметь причину (детерминизм), а также, что при осмыслении и математическом моделировании поведения объектов Природы, законы, управляющие этим поведением должны упрощаться при рассмотрении всё более мелких составляющих эти объекты частей. В частности неделимые объекты Природы (монады Лейбница) должны управляться самыми простыми и понятными законами (на этом принципе основано построенное И. Ньютоном и Г. Лейбницем интегральное и дифференциальное исчисление).
Первоначально созданная Общая теория относительности была с позиции данных принципов эстетически безупречна. В самом деле, в левой части уравнений находятся свойства пространства-времени, которые простым знаком равенства отождествлены со свойствами материи, расположенными в правой части. Никаких дополнительных принципов в уравнения не введено[8]. Эти уравнения торжество классической физики.
Но как только уравнения в 1915 году были записаны и самим Эйнштейном была предпринята попытка объяснения на их основании всей Вселенной, оказалось, что для данной задачи эти уравнения не применимы. А. Эйнштейн рассматривал Вселенную как стационарный объект, но из теории выходило, что в мире существуют лишь гравитационные силы притяжения, поэтому рано или поздно всё вещество должно притянуться к какому-то одному центру, или же Вселенная должна вращаться (наподобие Солнечной системы - сегодня уже доказано, что Вселенная не вращается как единое целое вокруг какой-то оси). В те времена такое даже и не предполагалось и не наблюдалось. Для объяснения видимой стационарности Вселенной, А. Эйнштейн искусственным образом ввёл в свои уравнения добавку, которая позволяла уравновесить всемирное тяготение. Данная добавка была названа Эйнштейном "Λ-членом" или Космологической постоянной и отвечала всеобще действующему антитяготению (антигравитации). Значение этой постоянной нельзя было вычислить на основе каких-то принципов или свести к комбинациям фундаментальных констант - оно вводилось как эмпирическая постоянная, которую нужно было измерить в эксперименте. Эстетика теории была потеряна.


Введение космологической постоянной нарушило первоначальные философские принципы: мировоззрение признало факт своей несостоятельности, но не могло найти причины объяснения данного факта поведения Вселенной. Правда, после работ Александра Фридмана оказалось, что можно обойтись и без этой Космологической постоянной, но для этого Вселенная должна быть нестационарной. Эдвин Хаббл открыл эту самую нестационарность Вселенной; оказалась, что на заре времён Вселенная родилась из одной точки и теперь постоянно расширяется. Тем самым крах мировоззрения был отложен. До 1998 года исследователи считали, что "... нет никаких настоятельных и убедительных оснований... для такого видоизменения уравнений тяготения" [9]. Сам А. Эйнштейн называл введение Космологической постоянной "своей самой большой ошибкой". В 1998 году ускоренное расширение Вселенной стало фактом.


[править] Модель космолологического ускорения

К настоящему времени достаточно объективно установлены крупномасштабная[10] однородность[11]и изотропность[12] Вселенной, поэтому для общего моделирования достаточно рассматривать внутренность Вселенной как некую распределённую более-менее однородную среду. Если решать уравнения Эйнштейна для такого симметричного случая, то оказывается, что источником гравитационного поля является не только распределённая энергия-масса, но и давление, оказываемое этой средой. Причём источником гравитационного поля является следующая комбинация этих величин:

(ε + 3p) (1);

То есть само по себе давление создаёт в три раза больший гравитирущий эффект, чем масса-энергия [13]

Вообще говоря, любая распределённая среда характеризуется уравнением состояния - таким уравнением, которое связывает давление и плотность энергии. Уравнение состояния очень простое и имеет вид:

p = W ε (2);

где р - давление, ε - плотность энергии, W - коэффициент пропорциональности. Различные значения параметра W определят уравнения состояния различных сред. Величина W=0 соответствует обычному веществу, в частности для Вселенной - это уравнение состояния пыли, частицы которой движутся с небольшими скоростями, поскольку энергия покоя существенно превосходит кинетическую энергию движения. W=1/3 соответствует излучению, например фотонному газу. Для объяснения факта расширения Вселенной с ускорением, необходимо, чтобы Вселенная была заполнена какой-то средой создающей антигравитацию и параметр W должен быть меньше - 1/3, в этом случае величина (1) станет отрицательной и такая среда будет рассталкивать вещество Вселенной. Тёмная энергия как раз и должна быть такой гипотетической средой. И различные виды такой среды зависят от значения параметра W.

При параметре W, лежащем в интервале - 1 < W < - 1/3 - тёмная энергия сводится к очень гипотетическим полям, с уникальными свойствами. Такие поля называются квинтэссенциями.
При W = - 1 получается самый интересный для нас случай, когда тёмная энергия есть не что иное как физический вакуум.
При W < - 1 вводятся в модели совсем экзотические субстанции, которые получили специальное название фантомных энергий. Если верна именно эта модель - нашу Вселенную ждёт абсолютный конец времён - Большой разрыв.

Стоит отметить, что чем меньше параметр W тем больше ускорение расширения нашей Вселенной. Современными наблюдательными средствами мы не может вполне надёжно установить его значение. Это дело будущих астрономических экспериментов.

[править] Случай - 1 < W < - 1/3: Тёмная энергия как квинтэссенция

На сегодняшний день научным сообществом признано существование четырёх фундаментальных полей, передающих взаимодействия: сильное, электро-магнитное, слабое и гравитационное. Одной из задач современной теоретической физики является поиск единой причины всех этих взаимодействий. Следует отметить, что ещё в 19 веке электромагнитное взаимодействие считалось разделённым на электричество и магнетизм, однако Дж. Максвелл создал классическую электродинамику - теорию объединяющую эти взаимодействия. С тех пор и возникла задача объединения всех взаимодейсвий. Сейчас уже экспериментально доказана связь электромагнетизма и слабого взаимодейсвия, а также построена модель, предполагающая, что электро-слабое и сильное взаимодействия - это появления одного общего явления. Данная модель получила названия Стандартной модели[14]. Стандартная модель и другие конкурирующие теории предсказывают наличие особых полей, возбуждения которых могли бы быть причиной ускоренного расширения Вселенной. Такие поля поучили название квинтэссенций. Это очень слабо взаимодействующие частицеподобные возмущения, которые не могут формировать никакой крупномасштабной структуры. Тем не менее, это всё-таки поле (в принципе, аналогичное газу), которое заполняет собой Вселенную, а значит плотность энергии этого поля должна меняться вместе с расширением Вселенной. Самой большой трудностью теорий квинтэссенций является совершенная необъяснимость ими того факта, что ускоренное расширение было не всегда, а началось в определённый момент возраста Вселенной. Данное положение заставляет наделить квинтэсеннции свойством изменять законы своего поведения (фундаментальные константы) с течением времени. Однако, это одновременно даёт и критерий экспериментальной проверки истинности теорий допускающих их существование. Дополнительно к этому, данные теории квинтэссенций дают несколько меньшее ускорение расширения, чем, например, теория физического вакуума. Следует также отметить, что некоторые варианты квинтэссенции могут одновременно с феноменом Тёмной энергии объяснить также феномен Тёмной материи[15].

[править] Случай W = -1: Тёмная энергия как физический вакуум

Последние данные о физическом вакууме вполне объективно дают возможность заключить, что он может подойти на роль источника антигравитации. Следует отметить, что уравнение состояние физического вакуума: p = - ε единственно возможное, которое гарантирует, что во всех инерциальных[16] системах отсчёта данная среда будет иметь одинаковые свойства и обнаружить собственное равномерное, прямолинейное движение относительно такой среды невозможно. В отличие от квинтэссенции, вакуум не меняет своих свойств по мере расширения Вселенной, он всегда строго постоянен и никак не возмущается внешними силами, но, вместе с тем, влияет на свойства пространства-времени. Из этого следует, что расширение Вселенной приводит ко всё большему доминированию вакуума, поскольку плотность его энергии не меняется, а плотность энергии остальных составляющих материи Вселенной уменьшается, так как увеличивается объём. Более того, из множества моделей теорий квантовых полей следует, что в вакууме постоянно присутствуют квантово-механические флуктуации и рождается бесконечное количество виртуальных частиц[17], обеспечивая таким образом ненулевую плотность энергии. Также вакуум заполняет собой всё пространство исключительно равномерно во всех масштабах: от космологических до сколь угодно малых.
Предполагается, что малая плотность энергии вакуума как-то связана с симметрией между фермионами и бозонами – данный вывод сделан не из наблюдений или расчётов, а лишь по порядку величины и размерности различных комбинаций физических констант.
Из совокупности наших модельных представлений о физическом вакууме[18] следует, что данная среда хотя и имеет положительную плотность энергии, но порождает антигравитацию, расталкивая наблюдаемую материю и заставляя её расширяться с ускорением. Как было отмечено ранее, источником гравитационного взаимодействия является комбинация плотности энергии и давления, а поскольку p = - ε, то (ε + 3p) = (ε - 3ε) = - 2ε, то общее значение отрицательно - следовательно наблюдается антигравитация.
Самым важным свойством постоянства свойств вакуума является то, что модификация Уравнений Эйнштейна для учёта его воздействия достаточно ввести всего лишь одну константу. Вот здесь исследователи вновь вспомнили о космологической постоянной, однозначно связав её с плотностью энергии вакуума:

Плотность энергии вакуума: ε = Λ / (8πG)
,

где G - постоянная тяготения Ньютона, а Λ - космологическая постоянная Эйнштейна.
Правда, Эйнштейн связывал Космологическую постоянную со свойствами пространства-времени, сейчас же следует говорить, что это всё-таки свойства энергии-импульса, являющиеся причиной изменения свойств пространства-времени, поэтому в уравнениях гравитации она должна стоять справа, а не слева, куда её поместил А.Эйнштейн.
Поскольку плотность энергии вакуума строго постоянна, то по мере расширения Вселенной его энергия возрастает; энергия же остальной материи остаётся постоянной. С течением времени процентное содержание энергии вакуума будет возрастать. Также в более раннее время общая энергия вакуума была меньше, и в какой-то момент равнялась энергии материи. Примечательно, что это событие случилось приблизительно в момент начала формирования Солнечной системы. Некоторые исследователи видят в этом проявление Антропного принципа. До этого Вселенная расширялась с замедлением, однако первоначального толчка Большого взрыва хватило для того, чтобы Вселенная просуществовала некоторое время для накопления количества элементов, позволивших возникновение органической жизни. Введение вакуума удовлетворяет наблюдаемым фактам с точностью приблизительно около 10%. Однако, вместе с этим, возникает ряд вопросов. Искусственное введение различных констант не отвечает на вопросы «почему» и «как». Мы не знаем почему именно такая плотность энергии, возник ли вакуум вместе со Вселенной или существовал ранее, постоянна ли это величина с течением времени. Совершенно неизвестно, как трактовать явления, приводящие к ненулевой плотности энергии (из некоторых теорий следует, что эта плотность вообще должна иметь бесконечную величину), но ясно, что его свойства должны объясняться чем-то фундаментальным. Попытки подобного объяснения предсказывают наблюдаемые значения крайне неудовлетворительно. Например, для наблюдаемого ускоренного расширения, плотность энергии вакуума должна составлять ~ 10-29 гр/см3, но в современных теориях нет никаких веских аргументов в пользу такой величины, их предсказания отличаются от наблюдений на 100 порядков величины (число 1 со ста нулями далее). При всех затруднениях, введение вновь Космологической постоянной представляется самым правдоподобным объяснением, поскольку требует наличия всего лишь одного числа для всех уравнений, в соответствии с принципом Оккама.


[править] Случай W < -1: Фантомная энергия

Поскольку на параметр W нет никаких теоретических ограничений, то он, в принципе, может быть и меньше, чем -1. Однако, что представляет собой среда с таким уравнением состояния - совершенно не понятно. Однако, если Вселенная заполнена именно такой средой, то её расширение будет чрезвычайно быстрым. Ускорение расширения Вселенной будет постоянно возрастать таким образом, что фактор масштаба Вселенной становится бесконечно большим за конечное время. То есть возможно сингулярное состояние совершенно иного типа. В момент Большого взрыва существовала сингулярность с масштабным фактором равным нулю, на конечных стадиях эволюции Вселенной, фактор масштаба Вселенной обращается в бесконечность. Надо отметить, что в случае фантомной энергии на финальных стадиях Вселенной становится возможным нарушение принципа Причинности, что делает реальным такие экзотические явления как "машина времени". Сама по себе финальная сингулярность Вселенной носит название Большого разрыва - своеобразного абсолютного конца времён, когда всё сущее превратится в ничто, ни одна точка мира не будет причинно связана с другой точкой.


[править] Тёмная энергия и Развитие

Если ускорение расширения Вселенной действительно объясняется плотностью энергии вакуума, то в будущем нашу Вселенную ждёт полностью статическое состояние, без какого-то ни было изменения. Более того, все пространственно-временные точки будущего состояния Вселенной тождественны между собой. Нет ни одного места, где бы что-нибудь происходило. Это вечное и неизменное состояние. Существующими можно считать только пространство-время и обуславливающие это существование законы природы. В принципе, в таком пространстве может существовать наблюдатель, если он как-то, чисто гипотетически, там смог бы оказаться, но он ничего не мог бы наблюдать. Если же имеет место фантомная энергия, то говорить о каком-то бесконечном будущем Всленной вообще бессмыслено - за конечное время Вселенная обратится в ничто, не будет существовать и пространство-время и обуславливающие его наличие законы природы, само существование какого-то наблюдателя исключается, даже если бы он там вдруг появился - тут же мгновенно бы исчез, обратившись в "абсолютную пустоту".


Само по себе введение лямбда-члена А. Эйнштейном - это предположение в духе мировоззрения Бэкона-Ньютона. Уверенный в объяснении объективной реальности неким законом природы исследователь делает смелое предположение со своих философских позиций, отделяя закон от реальности, которую этот закон описывает. Закон природы для такого исследователя регулятор развития реальности и связывает явление с его причиной. Если в законе нет никаких эмпирических дополнений, то такой закон, в рамках текущего мировоззрения, приближается к объективной истине. Мировоззрение торжествует - оно способно объяснять явления только лишь из своих собственных принципов. В дальнейшем закон может корректироваться, в зависимости от обнаружения новых явлений. Иногда обнаруживаются такие явления, объяснить которые в рамках текущего мировоззрения уже не удаётся - мировоззрение меняется[19]. Однако, существует философская позиция, где единственно существующим объявляется сам закон, а свойства того, что он признан регулировать таковы именно в силу совершенства или несовершенства самого закона. На самом деле, подобные предположения всего лишь спекуляции, новая философия[20] наверное создаст иные мировоззренческие картины, которые позволят удовлетворительно объяснить явления ускоренного расширения Вселенной. Более того, возможен такой вариант, что само по себе исследование Тёмной материи приведёт к построению новых картин мира, как это случилось при объяснении И. Ньютоном причин механического движения и гравитации.

[править] Примечания

  1. Adam G. Riess et al Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological, 1998 The Astronomical Journal 116 1009
  2. Perlmutter S. et al. Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae Astrophys. J 517 565 (1999)
  3. За 2011 год - группе учёных, открывших космологическое ускорение была присуждена Нобелевская премия
  4. При открытии ускоренного расширения Вселенной были использованы вспышки сверхновых типа Ia, которые принято считать "стандартными свечами", однако последние исследования показывают, что это не совсем так, поскольку при учёте вращения Белых карликов предел вспышки может меняться в широких своих значениях.
  5. Фок В.А. Работы А.А. Фридмана по теории тяготения Эйнштейна УФН Июль 1963.
  6. Шаров А.С. Человек, открывший взрыв Вселенной: Жизнь и труд Эдвина Хаббла. М.: Наука, 1989.
  7. Космологическое красное смещение - порождено расширением пространства Вселенной, начавшимся с момента Большого взрыва. Чем дальше находится объект, который испустил зафиксированный астрономами свет, тем сильнее увеличилась длина волны данного света по мере его путешествия через Вселенную в точку наблюдения. Параметр различия длины волны зафиксированного света и света полученного в аналогичном процессе в лабораторных условиях на Земле называется красным смещением. Величина космологического красного смещения свидетельствует о расстоянии до наблюдаемого объекта. Чем красное смещение больше, тем объект находится дальше. Более того, поскольку свет распространяется с конечной скоростью - величина красного смещения свидетельствует о возрасте наблюдаемого объекта. Например, z = 0.5 соответствует наблюдению состояния объектов, когда возраст Вселенной был 9 млрд лет, z = 1 соответствует возрасту Вселенной в 6 млрд лет, z = 6 - соответствует молодой Вселенной, в возрасте 1 млрд лет
  8. Данное утверждение о принципах теории необходимо понимать с той точки зрения, что никаких мировоззренческих принципов иного свойства в теории нет. Безусловно в её изначальных посылках есть принципы, позволяющие соотнести её содержание с физической реальностью. Например: принцип относительности, принцип эквивалентности, наличие фундаментальных констант гравитационного взаимодействия G и скорости света c и т.п. Теория использует аксиоматический подход, эти принципы в основе своей эмпирические факты и причины их справедливости пока не известны.
  9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля, М.: Наука 1973 г.
  10. M.J. Geller, J.P. Huchra, Science Vol. 246 no. 4932 pp. 897-903
  11. Однородность - одинаковость свойств в различных точках пространства.
  12. Изотропность - одинаковость свойств в различных направлениях.
  13. В Теории тяготения Ньютона источником гравитирующей силы является только сама масса.
  14. Опытное подтверждение Стандартной модели ищут сейчас на экспериментах Большого Адронного Коллайдера.
  15. Юров А.В. Диссертация "Исследование космологий скалярной материи методом спектрального дизайна"
  16. Инерциальная система отсчёта - система, в которой физические тела, покоятся или движутся прямолинейно и равномерно, в случае, когда на эти тела не действуют никакие силы, или действие сил взаимно скомпенсировано.
  17. Виртуальная частица - такая частица, время жизни которой ограничено Принципом неопределённости: Δt ~ h / mc2.
  18. Некоторые наши представления о физическом вакууме подтверждаются экспериментально в таких опытах как: Эффект Казимира и наличие Лэмбовского сдвига.
  19. Т.Кун Структура научных революций
  20. Валлерстайн И. Время и длительность: в поисках неисключённого среднего

[править] По материалам

А.Д. Чернин «Космический вакуум» УФН 171 1153-1175 (2001)
А.Д. Чернин "Тёмная энергия и космическое антитяготение" 178 267–300 (2008)
В.Н. Лукаш, В.А. Рубаков Темная энергия: мифы и реальность УФН 178 267 (2008)
Л.В. Ксанфомалити Тёмная Вселенная Наука и Жизнь №5 (2005)
И. Ройзен Новый сюрприз Вселенной: Тёмная энергия Наука и жизнь №3 (2004)

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструменты