Казалось что у науки есть общее представление о вселенной, основанное... теории относительности Эйнштейна ,которая связывает массу и движение во вселенной. 1.Введение
advertisement
ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ- ЗАЧЕМ ОНА. 1.Введение Казалось что у науки есть общее представление о вселенной, основанное на общей теории относительности Эйнштейна ,которая связывает массу и движение во вселенной. Но на рубеже 20 и 21 веков в физике накопилось достаточно много наблюдений которые не возможно было объяснить с позиции фундаментальной науки. Например ,наблюдения показали, что вселенная плоская и растягивается во все стороны. Открытие темной энергии расставило все точки над i .Появилась новая стандартная космологическая модель ,удовлетворяющая всю совокупность наблюдений и не имеющая серьёзных конкурентов. Модель прекрасно описывает как эволюцию вселенной в целом ,так и образование её структуры. Несмотря на влияние тёмной энергии ,генерация структуры всё еще продолжается и будет продолжаться в течении 10 млд. лет. В то же время ,признание факта существования темной энергии существенно изменило ситуацию в физике, указав на недостаток знаний о микромире. Темная материя и темная энергия — это то, что не видно глазу, однако их присутствие доказано в ходе наблюдений за Вселенной. Миллиарды лет назад наша Вселенная родилась после катастрофического Большого Взрыва. По мере того, как ранняя Вселенная медленно охлаждалась, в ней начала развиваться жизнь. В результате сформировались звезды, галактики и остальные видимые ее части. Размеры нашей Вселенной просто ошеломительны. К примеру, одного Солнца достаточно для освещения и обогрева миллиона планет, аналогичных Земле. При этом Солнце является звездой среднего размера, а одна только наша галактика состоит из 100 миллиардов звезд. Это количество превышает количество песчинок на небольшом пляже. Галактики — лишь небольшая примесь «обычного» вещества, разбросанного сгустками в космическом пространстве на однородном фоне темной энергии, т.е. энергии космического вакуума. Она создает всемирное антитяготение и заставляет галактики удаляться от нас и друг от друга с возрастающими со временем скоростями. Темная энергия дает о себе знать не только на огромных космологических расстояниях, где ее впервые обнаружили, но и вблизи нас, совсем недалеко от Млечного Пути . Альберт Эйнштейн выдвинул в 1917 г. гипотезу всемирного антитяготения, которая была подтверждена астрономическими наблюдениями в 1998–1999 гг. Распределение масс во Вселенной 2. Темная энергия Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения6свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот. Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века. По этому поводу, однако, высказано немало интересных гипотез, простейшая из которых (и, похоже, самая вероятная) связывает темную энергию с космологической константой. Эта универсальная константа была введена в космологию и физику Эйнштейном в 1917 г., на заре современной науки. Если эйнштейновская константа положительна по величине, то теория Фридмана (а в ней эта константа с самого начала учитывалась) может описывать космологическое расширение не только с замедлением, но и с ускорением. Этот вариант мировой динамики и осуществляется, как оказалось, в реальной Вселенной До открытия темной энергии не было оснований предполагать,что в природе имеется ещё один,гораздо меньший масштаб энергий. Несмотря на то, что на сегодняшний день о природе тёмной энергии можно только гадать, в лагере физиков имеется два взгляда: 1) Тёмная энергия — это свойство самого пространства, неразрывно с ним связанное. Есть пространство — есть некая прикрепленная к нему энергия, нет пространства — нет энергии. 2) Тёмная энергия — это какое-то неведомое поле, заполняющее всю Вселенную Отличие от первого варианта только в том, что это поле не «вшито» в само пространство, и поэтому может иметь разную плотность в разных точках — где-то больше, где-то меньше. Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума7. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное. Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями. По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте. И так,мы не знаем что такое темная энергия ,но мы можем дать характеристику через свойства: 1. темная энергия не реагирует на гравитацию.т.е.ведет себя так как если бы камень брошенный вверх не падал на Землю,а все время двигался бы вверх с ускорением. 2. Давление отрицательно во всём объёме.т.е. всё отталкивается друг от друга К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами. 3.Направления развития на ближайшее время. 1.В современных обсерваториях будут обнаружены все скопления галактик ,найдены даже самые малые скопления, таким образом выстроется «карта» вселенной и определится уравнение состояния темной энергии. Эти данные будут доступны всем университетам и обсерваториям страны. 2. Соотношение размеров Вселенной сейчас и ранее ,взятые в совокупности, дадут полное представление о характере эволюции Вселенной. 3.Следующее направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. 4.Узнав ,постоянная или нет плотность темной энергии ,мы узнаем что ждет вселенную в дальнейшем. Галактики, планеты, звезды – всего этого в будущем может не быть. Потому что нашу Вселенную может ожидать чудовищный конец. Новые данные космической обсерватории "Планк" обескуражили астрофизиков. Как полагают некоторые исследователи космоса, нашу Вселенную может ожидать ужасный конец. Виной тому темная энергия. Эта таинственная сила может через несколько миллиардов лет разорвать планету вместе со всем ее содержимым. Хотя ученые рассматривали этот вариант еще несколько лет назад, опубликованные в марте данные зонда «Планк» Европейского космического агентства ESA приближают вероятность реализации такого сценария. Разорванная Вселенная превратится в Большой взрыв нового космоса Возможно, на этом еще не все закончится. Некоторые исследователи полагают, что оторванные от стремительно расширяющегося космоса частицы просто исчезнут. Другие считают, что вся Вселенная превратится в большую черную дыру. Самую неожиданную теорию выдвинули ученые Лорис Баум (Lauris Baum) и Пол Фрэмптон (Paul Frampton) из Университета Северной Каролины в Чэпел-Хилле. По их теории пространство-время распадается в финальный момент на осколки, которые отдаляются друг от друга со скоростью света. С этого момента Большой разрыв внезапно прекращается, поскольку плотность фантомной энергии становится равной плотности всей Вселенной. Каждый осколок создает свою собственную Вселенную. Коллапс осколка, имеющего огромную энергетическую плотность, становится Большим взрывом нового космоса. Если же плотность темной энергии останется в пределах «-1»,то вселенная будет продолжать расширяться. на межгалактических расстояниях темная энергия (фиолетовая сетка) доминирует над гравитацией (зеленая сетка) 4.Практическое применение Получив эту тёмную энергию в лаборатории её можно будет использовать как в мирных, так и в военных целях следующим образом: 1. Можно использовать тёмную энергию для создания электростанции. Сделать эту электростанцию можно очень просто и таким образом: под большое колесо, которое будет выполнять функцию турбины, надо заложить в Земле в некоем объёме тёмную энергию таким образом, чтобы она находилась под одной частью колеса (например, левой). Тогда поскольку левая часть колеса будет находиться над объёмом с тёмной энергией она будет отталкиваться от неё вверх или находится в состоянии невесомости. А правая часть колеса, которая находится над Землёй, будет притягиваться к Земле за счёт силы тяжести. И, таким образом, колесо будет всё время вращаться, вырабатывая по уже известной схеме электроэнергию. Далее, нужно поставить ряд колес-турбин над «тёмной энергией» и это уже будет электростанция, причём экологически чистая. Такие электростанции в будущем можно строить в северных широтах, в местах далёких от крупных рек и там, где мало ветров. 2. Можно также использовать тёмную энергию для получения электричества. Ведь под её воздействием Вселенная через большой промежуток времени (20 млрд. лет) может или снова сжаться (если это квинтэссенция) или разлететься на атомы (если это фантомная энергия). Поэтому если тёмная энергия окажется фантомной энергией, то она будет расщеплять барионную материю, значит, будет выделяться тепло, которое и можно использовать для получения электричества. По примеру атомного реактора: расщепление урана с выделением тепла. Или водородного двигателя: соединение водорода с кислородом = вода + тепло. 3. Военное использование тёмной энергии. Если удастся получить тёмную энергию и она окажется фантомной энергией, то её можно использовать для военных нужд. С её помощью, вероятно, можно будет расщеплять на атомы оружие противника. И это будет абсолютным оружием против любой армии мира! Таким образом, нам надо проводить лабораторные опыты для получения тёмной материи и энергии у нас в стране, чтобы не отстать от запада. 5. Заключение Тёмная энергия — это нечто такое, что объяснило бы нам, почему Вселенная продолжает расширяться, несмотря на то, что основная действующая в ней сила — сила притяжения, она же гравитация — этому противодействует. Вот какое определение даёт тёмной энергии Википедия: «Тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия вакуума); Тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.» На основании наблюдаемых темпов роста Вселенной, учёные делают вывод, что тёмная энергия должна составлять не менее 70% от общего содержания Вселенной. Но попрежнему непонятно, что это и где это искать. 6. СЛОВАРИК Космологическая постоянная - величина, известная также под названием L-члена. Присутствие такого слагаемого в уравнениях ОТО ничем не запрещено, и вначале Эйнштейн считал его даже необходимым, так как без него стационарная Вселенная с одним только притяжением явно неустойчива. Когда же было найдено нестационарное решение ОТО (фридмановская расширяющаяся Вселенная) и тем более когда выяснилось, что именно оно отвечает реальности, необходимость в L-члене для внутренне непротиворечивого описания современной Вселенной, казалось бы, отпала. И вот теперь вопрос снова оказался на повестке дня. Красное смещение - эффект Доплера, который состоит в том, что частота видимого света (и вообще принимаемых электромагнитных волн) зависит от относительной скорости излучателя и приемника: чем быстрее они удаляются друг от друга, тем она меньше. В горячей Вселенной относительные скорости всех тел (на космологических расстояниях) тем больше, чем дальше они одно от другого. В результате оказывается, что принимаемая нами частота уменьшается (по сравнению с частотой неподвижного источника) во столько же раз, во сколько раз масштабы Вселенной в момент излучения были меньше, чем сейчас. Этот фактор принято записывать в виде (1 + z), потому что тогда z - это красное смещение, относительное удлинение электромагнит ной волны. тёмная материя Это довольно парадоксальная штука: форма материи, не испускающая электромагнитного излучения и не вступающая с ним во взаимодействие. Соответственно, её невозможно ни увидеть, ни как-либо наблюдать. Очевидно, что около 84% материи во Вселенной не поглощает и не излучает свет. Существование и свойства тёмной материи можно вывести из её гравитационного, радиационного и структурного воздействия на Вселенную. Тёмная материя (предположительно) может состоять из слабо взаимодействующих гравитационных частиц, но до сих пор ни один из детекторов не смог обнаружить эти частицы. Теория Фридмана говорит нам, что закон прямой пропорциональности скорости и расстояния — это обязательное и неизбежное следствие однородности распределения вещества. Раз Вселенная однородна по распределению вещества, ее расширение может происходить по этому и только этому закону. И наоборот: расширение по закону прямой пропорциональности возможно только в однородном мире 7.Литература - Темная энергия и всемирное антитяготение А.Д. Чернин Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга, МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва -Темная энергия вблизи нас А.Д. Чернин ГАИШ МГУ -Наука и жизнь, Новый сюрприз Вселенной: темная энергия. -Темная энергия: мифы и реальность. В.Н .Лукашин ,В.А.Рубаков. -О темной материи и энергии. Н. Левашов (лекция) -Темная материя , темная энергия и яркая Вселенная.Е.М.Чуразов (лекция)
