v.a.rubakov.-temnaya-energiya-vo-vselennoy (810759), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Количество фотоновв нем не меняется со временем, но длина волны увеличивается из-за растяженияпространства. Фотоны краснеют, энергия каждого из них убывает, уменьшается исуммарная энергия всех фотонов.]Утверждение о постоянстве плотности темной энергии тоже основано на астрономических наблюдениях, а потому тоже справедливо с определенной точностью.

Чтобыохарактеризовать эту точность, скажем, что за последние 8 милллиардов лет плотностьтемной энергии изменилась не более чем в 1,4 раза, так что энергия в расширяющемсяобъеме увеличилась в б - 11 раз. Это мы сегодня можем сказать с уверенностью.Отметим, что второе и третье свойство темной энергии — способность приводить кускоренному расширению Вселенной и ее постоянство во времени (или, более общо,очень медленная зависимость от времени) — на самом деле тесно связаны между собой.Такая связь следует из уравнений общей теории относительности. В рамках этой теорииускоренное расширение Вселенной происходит именно тогда, когда плотность энергии вней или совсем не меняется, или меняется весьма медленно.

Таким образом,антигравитацпя темной энергии и ее сложные отношения с законом сохранения энергии— две стороны одной медали.Этим надежные сведения о темной энергии по-существу исчерпываются. Дальшеначинается область гипотез. Прежде чем говорить о них, обсудим вкратце один общийвопрос.3 Почему сейчас?Если в современной Вселенной темная энергия дает наибольший вклад в полнуюплотность энергии, то в прошлом это было далеко не так. Скажем, 8 миллиардов лет назаднормальная материя была в 8 раз более плотной, а плотность темной энергии была такойже (или почти такой же) как сейчас. Отсюда несложно заключить, что тогда соотношениемежду энергией покоя нормальной материи и темной энергией было в пользу первой:темная энергия составляла около 15%, а не 72% как сегодня. Из-за того, что в то времяглавную роль играла нормальная материя, расширение Вселенной происходило сзамедлением. Еще раньше влияние темной энергии на расширение было совсем слабым.Замечательно, что такая картина подтверждается данными по сверхновым типа 1а.Наиболее удаленные из них взорвались более 8 миллиардов лет назад, и измерения ихскоростей показывают, что расширение Вселенной тогда действительно замедлялось.Результаты других космологических наблюдений также говорят о том, что на раннихэтапах эволюции Вселенной темная энергия была несущественна.

Об одной серии такихрезультатов стоит упомянуть. В период от 1 секунды до нескольких минут послеБольшого взрыва, когда температура во Вселенной менялась от 10 миллиардов до сотенмиллионов градусов, в космической плазме активно шли термоядерные реакции. В результате образовался дейтерий, изотопы гелия и лития. В некоторых местах во Вселеннойэтот первичный состав вещества практически не изменился, и его удалось измерить. Сдругой стороны, его можно надежно рассчитать, при этом результат, разумеется, зависитот темпа расширения Вселенной в ту далекую эпоху. Так вот, результаты расчетасогласуются с наблюдениями, если считать, что темная энергия не играла тогда никакойроли.

Точнее, вклад темной энергии (как и других новых, гипотетических форм энергии) вполную плотность энергии в период термоядерных реакций ограничен на уровне около15%. Точность вроде бы не очень высока, но не надо забывать, что речь идет о первыхсекундах после Большого взрыва!Итак, влияние темной энергии и вызванное им ускорение расширения Вселенной— явления по космологическим меркам совсем недавние: ускорение началось "всего" 6,5миллиардов лет назад. С другой стороны, поскольку плотность нормальной материиубывает со временем, а плотность темной энергии — нет, темная энергия вскоре (опять-8таки по космологическим меркам) будет полностью доминировать.

Значит, современныйэтап космологической эволюции — это переходный период, когда темная энергия ужеиграет заметную роль, но расширение Вселенной определяется не только ей, но инормальной материей. Является ли эта выделенность нашего времени случайнымсовпадением или за ней стоит какое-то глубокое свойство нашей Вселенной? Этот вопрос— "почему сейчас?" — остается пока открытым.4 Кандидаты4.1 Энергия вакуума = космологическая постояннаяЕсли бы не было гравитации, абсолютное значение энергии не имело быфизического смысла. Во всех теориях, описывающих природу, за исключением теориигравитационных взаимодействий, смысл имеет лишь разность энергий тех или иныхсостояний.

Так, говоря об энергии связи атома водорода, мы имеем в виду разность двухвеличин: суммарной энергии покоя свободных протона и электрона, с одной стороны, иэнергии покоя атома с другой. Именно эта разность энергий выделяется (передаетсярожденному фотону), когда электрон и протон соединяются в атом. Точно так же подэнергией покоя протона мы на самом деле понимаем разность энергий состояния, вкотором имеется протон, и состояния без протона — вакуума.

Если бы не гравитационноевзаимодействие, говорить об энергии вакуума было бы бессмысленно, ее просто не с чембыло бы сравнивать.Дело обстоит совершенно иначе, если мы интересуемся именно гравитационнымивзаимодействиями. Энергия вакуума, как и любая другая энергия, "весит", гравитиру-ет.Вакуум — это состояние с наинизшей энергией (поэтому, кстати, энергию от негоотобрать нельзя), однако эта энергия совершенно не обязана быть равной нулю; с теоретической точки зрения она может быть как положительной, так и отрицательной.Можно ли ее вычислить "из первых принципов" — большой вопрос. Но в любом случаеэнергия вакуума, если она положительна, имеет как раз те свойства, которыми должнаобладать темная энергия.

Действительно, вакуум везде одинаков (по крайней мере ввидимой части Вселенной). Предположение об обратном привело бы к противоречиям,например, с наблюдениями реликтового излучения: в разных вакуумах свойства космической плазмы в эпоху последнего излучения фотонов были бы сильно разными, сильноразличались бы и температуры излученных фотонов.

Имелись бы и другие непреодолимые противоречия с наблюдениями. Итак, вакуум везде одинаков. Одинакова и егоплотность энергии. Вакуум не может быть где-то более "густым", а где-то более "разреженным", иначе это был бы не вакуум. Стало быть, как и требуется для темной энергии,энергия вакуума распределена равномерно по Вселенной.Далее, при сравнительно медленном расширении Вселенной (а именно так обстоитдело сейчас и обстояло в обозримом прошлом) вакуум остается одним и тем же. Свойствавакуума определяются физикой сверхмалых расстояний и времен, и на них медленноерасширение Вселенной не отражается. Поэтому, опять-таки как и требуется, плотностьэнергии вакуума не зависит от времени. Как мы говорили выше, в общей теорииотносительности последнее свойство автоматически означает, что энергия вакуумаприводит к ускоренному расширению Вселенной.

Таким образом, вакуум — это в самомделе подходящий кандидат на роль носителя темной энергии.Подчеркнем, что отсутствие зависимости плотности энергии от положения в пространстве и от времени — это точные, а не приближенные свойства вакуума, что отличаетего от других кандидатов на роль темной энергии. Плотность энергии вакуума — этомировая константа (по крайней мере в той части Вселенной, которую мы наблюдаем).Надо сказать, что эту константу — космологическую постоянную, Л-член — вводил всвои уравнения еще Эйнштейн.

Он, правда, не отождествлял ее с энергией вакуума, но это— вопрос терминологии, по крайней мере при современном понимании существа дела.9Позже Эйнштейн от своей идеи отказался — возможно, напрасно.Почему же представление о темной энергии как энергии вакуума не удовлетворяетмногих физиков? В первую очередь это связано с несуразно малым значением плотностиэнергии вакуума, которое необходимо для согласия теории и наблюдений.В вакууме все время рождаются и умирают виртуальные частицы, в нем имеютсяконденсаты полей — в общем, вакуум скорее похож; на сложную среду, чем на абсолютную пустоту. Это не просто домыслы: особенности вакуума находят свое проявление всвойствах элементарных частиц и их взаимодействий и в конечном итоге определяются,хотя и косвенно, из многочисленных экспериментов. Энергия вакуума в принципе должнабыла бы "знать" о том, как он устроен, какова его структура и каковы значенияхарактеризующих его параметров (например, конденсатов полей).Теперь представим себе теоретика, который изучил физику элементарных частиц,но ничего не слышал о Вселенной.

Попросим этого теоретика предсказать плотностьэнергии вакуума. Исходя из масштабов энергий, характерных для фундаментальныхвзаимодействий, и соответствующих масштабов длин, он сделает свою оценку — и ошибётся в невообразимое число раз. Мы уже говорили об этом: энергетический масштабфундаментальных взаимодействий — по крайней мере 200 миллионов электронвольт, атребуемый из наблюдений масштаб, соответствующий энергии вакуума (если темнаяэнергия — это энергия вакуума) — 0,002 электронвольта.

Это несоответствие можновыразить и так: наш теоретик предсказал бы такую большую энергию вакуума и такойвызванный ей темп расширения Вселенной, что дома на соседней улице должны были быразлетаться от нас со скоростями, близкими к скорости света!Проблему энергии вакуума можно пояснить и несколько иначе. Да, в нашей Вселенной эта энергия очень близка к нулю. Представим теперь себе другую вселенную, гдевсе так же, как у нас, только, скажем, массы элементарных частиц слегка отличаются отнаших.

Характеристики

Список файлов книги