08.06.2017. - Теории на тему темной энергии

Теории на тему темной энергии

Человечество аккумулировало огромное количество информации о нашей Вселенной и о том, как она работает. Мы гордимся тем, что являемся самым умным видом на Земле, а также, на текущий момент, и во всей Вселенной. Однако информация, которую мы собрали о структуре нашей Вселенной, получена на основе 4%, которые мы можем наблюдать, измерить и проанализировать — обычного вещества. Оставшиеся 96% — это «темные» субстанции. Темные они потому, что мы ничего о них не знаем (и потому что физикам не хватает фантазии, когда дело доходит до наименований).

Из этих 96% порядка 68% — это темная энергия. Это самая большая компонента Вселенной, и к тому же самая загадочная. Тысячи ученых по всему миру работают над расшифровкой этой загадочной энергии, которая определяет структуру нашей Вселенной на самых больших масштабах.

Без темной энергии наша Вселенная просто схлопнулась бы — под действием собственной гравитации, медленно сжалась бы в точку. Так что, хотя мы и не знаем, что это за энергия, нам стоит сказать ей спасибо. Перед вами десять лучших теорий на тему темной энергии.

Свойство пространства

Эта теория вышла из теории гравитации Эйнштейна, точнее из того факта, что «пустое пространство» может иметь собственную энергию — так называемую космологическую постоянную. Эйнштейн также считал, что пространство может появиться из ниоткуда, и чем больше пространства появляется, тем больше, соответственно, энергии может быть в нем заключено.

Это могло бы объяснить быстрое расширение Вселенной, которое мы наблюдаем. Такая Вселенная могла бы расширяться бесконечно долго, пока каждый объект не окажется так далеко от любого другого объекта, что мир погрузится в полную тьму и холод.

Теория всего

Многие астрономы считают, что поиск темной энергии — бесполезное занятие. Вместо этого они ратуют за неуловимую «теорию всего», которая сама по себе разрешила бы проблему темной энергии.

Эта теория должна объяснить поведение всех объектов во Вселенной — от очень больших до очень маленьких. Пока что наши теории о том, как работает Вселенная, делятся на крупномасштабные теории (вроде теории гравитации) и мелкие теории (вроде квантовой механики).

Хотя решение проблемы темной энергии таким образом логически обосновано, нахождение этой теории оказалось невозможным даже для самых ярких умов в физике. Нормальные законы физики будто «ломаются», достигая квантового уровня. Поиск продолжается в любом случае.

Новая фундаментальная сила

Все фундаментальные взаимодействия или силы, которые мы знаем (гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействие), работают в разных диапазонах. Некоторые влияют только на объекты атомарных размеров, другие же определяют движение планет и формирование галактик.

Эта теория темной энергии утверждает, что существует фундаментальное взаимодействие, которого мы пока не нашли и которое действует на гигантских масштабах, которые можно наблюдать только после достижения Вселенной определенных размеров. Оно работает в противовес гравитации и растягивает объекты прочь друг от друга.

Ученые полагают, что поскольку эта сила действует на таких больших масштабах, мы пока не сталкивались с ней в повседневной жизни и на измерения, проводимые на Земле, она тоже не влияет. Никто не знает, временная или постоянная эта сила. В зависимости от ответа на этот вопрос, Вселенная будет лишь расширяться вечно и станет холодной, либо расширяться и сжиматься периодически время от времени.

Теория гравитации Эйнштейна ошибочна

Попробуйте сказать одному из умнейших физиков, которые когда-либо жили на земле, что его (по общему признанию) самая знаменитая теория неверна… ну да, это сложно представить. Теория гравитации Эйнштейна утверждает, что всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу, и сила притяжения зависит исключительно от масс объектов и расстояния между их центрами.

И все же некоторые физики считают, что эта теория может быть ошибочна, и разрабатывают новые теории гравитации, которые могли бы объяснить темную энергию. В этих теориях они оборачивают влияние гравитации на крупных масштабах так, что каждый объект отталкивает любой другой.

Хотя эти теории не могут похвастать серьезной экспериментальной поддержкой (а модель гравитации Эйнштейна проверялась многократно), они объясняют, почему Вселенная расширяется. Согласно этим новым моделям гравитации, наша Вселенная снова достигнет состояния холодной тьмы после быстрого расширения.

Замедление времени

Если вы когда-нибудь смотрели фильм «Интерстеллар», вы точно слышали об эффекте замедления времени. Это явление происходит, когда объекты движутся близко к скорости света: время замедляется.

Та же идея представлена в парадоксе близнецов, когда один близнец отправляется на космический корабль, который движется на скорости света, а его брат остается на Земле. Когда они снова встречаются после нескольких лет разделения, близнец на Земле оказывается значительно старше своего брата-космонавта.

Недавно Эдвард Кипреос, профессор Университета Джорджии, в статье представил мнение, что только движущийся объект сам по себе подвергается замедлению времени. (Обычно человек-наблюдатель быстро движущегося объекта также испытывает эти эффекты).

Из этого следует, что в прошлом время должно было двигаться быстрее. Это устраняет необходимость иметь отталкивающую силу или вещество, поскольку кажущееся расширение Вселенной будет простым просчетом расстояний, которые были затронуты замедлением времени.

Если эта теория верна, она не только вступит в противоречие с другой известной теорией Эйнштейна (специальной теорией относительности), но и будет означать, что наша Вселенная статична. Она никогда не расширяется и не сжимается.

Экзотическая новая частица

Эта теория на тему частиц и полей витает в воздухе уже столетия. Мы знаем, что электрон создает электрическое поле, а также, совсем недавно, гравитационное поле стали ассоциировать с «гравитоном» — «частицей-переносчиком силы» гравитации. Физики частиц и теоретики нормально относятся к мысли, что энергия отдельного поля должна переноситься частицами, а не самим полем.

Эту концепцию можно применить на темную энергию, и тогда темная материя (на которую приходятся остальные 27% Вселенной) будет ее частицей-переносчиком силы. Поскольку некоторые частицы ненаблюдаемы в принципе (тот же гравитон), эта идея вполне имеет право на жизнь. Только вот доказательств, говорящих в ее пользу, крайне мало. У нас просто нет способа измерить хоть какое-нибудь свойство, связанное с темной энергией или темной материей.

Теории f(R)

Теории f(R) — это модели нынешней кривизны Вселенной (где кривизна обозначается как R). В 2007 году ученые из Университета Чикаго показали, что при определенном значении R может быть создана модель Вселенной, в которой не требуется темная энергия для объяснения расширения Вселенной.

Этот тип Вселенной сглаживает себя таким образом, что его общая кривизна сводится к минимуму, создавая сверхгравитационно-подобную силу, которая может либо притягивать, либо отталкивать объекты в зависимости от поставленных условий.

Теоретики Университета Чикаго согласны в том, что для выполнения этой теории дополнительная сила должна исчезать там, где сила гравитации относительно сильна (например, в масштабах планет и галактик), и проявляться только в самых больших масштабах. Группа астрономов из Пекинского университета начала проводить измерения кластеров, чтобы убедиться, что теория f(R) может быть правильным описанием нашей Вселенной.

Множественные вселенные и антропный принцип

Один из грандиознейших провалов современной физики состоит в прогнозе действительной величины темной энергии. Квантовая теория предсказывает очень малое число, но физики рассчитывают число в 10120 раз больше.

Вот здесь-то в игру вступает антропный принцип. Он состоит в том, что фундаментальные константы физики и химии (такие как скорость света, гравитационная постоянная и т. п.) «подходят» для поддержания жизни в отдельно взятой Вселенной, но могут иметь иные значения в других вселенных. В бесконечном множестве параллельных вселенных, кажется вполне вероятным, что может появиться и наша вселенная, с заданными значениями темной энергии, подходящей для формирования жизни.

Виртуальные частицы

Квантовая механика очень странная. Она позволяет всяким штукам появляться из ниоткуда и уходить в никуда, разрушая все идеи, которые нам закладывали в голову в старших классах. «Материя не может быть создана или уничтожена», учили нас. Она должна лишь переходить из одного состояния в другое.

Эта теория берет за основу идею виртуальных частиц — мелких частичек материи, которые появляются и исчезают. Это постоянное появление и исчезновение частиц высвобождает энергию, потому что материя преобразуется в энергию, когда эти частицы исчезают.

Физики считают, что именно так пространство само по себе может набрать достаточно непрерывной энергии, чтобы создать «отрицательное давление», которое вызывает расширение Вселенной. Если эта теория верна, энергетическое пространство, получаемое от этих виртуальных частиц, может быть таинственной темной энергией, и наша Вселенная будет продолжать расширяться до тех пор, пока этот процесс протекает.

Квинтэссенция

Количество теорий в этом списке показывает, насколько мы далеки от полного понимания нашей Вселенной. Каждая теория вносит свой вклад в будущее развитие нашего мира, и понять, какая из них верна, пока не представляется возможным.

Расшифровка темной энергии может открыть двери в совершенно новый раздел физики, либо кардинально поменять уже существующие. Поэтому многие физики и астрономы пытаются разгадать это большое, загадочное, «темное вещество», которое управляет эволюцией нашей Вселенной.

Последняя теория темной энергии в нашем списке будет и самой странной. Вселенная, в которой преобладает «квинтэссенция», будет полна «энергетической жидкости». Другие физики называют эту энергию «фантомной энергией».

Идея заключается в том, что эта квинтэссенция меняется со временем, а ее плотность энергии увеличивается. Судьба такой Вселенной закончится Большим Разрывом, когда Вселенная буквально взорвется, поскольку сами атомы не смогут противостоять силе, которая их растаскивает и разрывает на части.

Уничтожено будет абсолютно все.

Источник