Кінцева доля всесвіту вікі. Як помре Всесвіт

Примарно все в цьому світі бурхливому

Є тільки мить за нього і тримайся

Є тільки мить між минулим та майбутнім

Саме він називається життя...

А. Зацепіну та Л. Дербенєву якнайкраще вдалося передати всю суть нашого буття в цих чотирьох рядках популярної свого часу пісні, яка вперше прозвучала в кінофільмі «Земля Саннікова» (пісню виконав Олег Анофрієв), який вийшов на екрани 1973 року.

Якщо ж абстрагуватися від патетики, то можна сказати, що весь наш існуючий нині світ називається Всесвіт, який включає час, космос і весь його вміст: галактики, зірки, планети, їх місяця, всі інші тіла, всю матерію, всю енергію.

Незважаючи на таку глобальність, Всесвіт має свою дату народження і дату своєї смерті. Звичайно ж, між цими двома подіями пройде колосально великий тимчасовий проміжок, який людині важко собі уявити, але закони природи невблаганні - колись настане час, коли нинішній Всесвіт припинить своє існування.

Коли загине Всесвіт вчені сказати точно не можуть. Про дату її народження також точаться суперечки. Згідно з офіційно прийнятою науковою гіпотезою Всесвіт утворився 13,799 ± 0,021 мільярда років тому в результаті так званого Великого вибуху, коли з однієї точки нульового розміру з нескінченною щільністю та температурою утворився наш світ. Уявити цей процес пересічному обивателю навряд чи можливо, але «розумні голови» стверджують, що це було саме так – була порожнеча, потім трапився великий «бах», з якого почали утворюватися планети, зірки та інші складові цього Всесвіту.

Процес зореутворення продовжується і в наші дні. Перші зірки були утворені через 550 млн років після Великого вибуху. Поступово зірок і планет ставало дедалі більше, вони почали збиратися в галактики та сузір'я.

Наша сонячна системарозпочала своє формування приблизно 4,6 млрд. років тому. Спочатку була сформована газопилова хмара, після чого якась частина хмари стиснулася в кулю, з якої пізніше сформувалося Сонце. Паралельно за аналогічним сценарієм формувалися планети Сонячної системи, включаючи Землю.

За мірками людського життя, наша планета проіснує ще дуже довго. Вчені впевнені, що людська цивілізація зникне набагато раніше загибелі Землі. У найкращому разі наші нащадки переселяться на інші планети, у гіршому – ми зникнемо назавжди. Причин тому безліч, починаючи від глобального природного катаклізму, наприклад, падіння великого астероїда, і закінчуючи соціальними потрясіннями, наприклад, світовим військовим конфліктом із застосуванням зброї масової поразки.

Якщо ж абстрагуватися від «грішних людей», можна сказати, що Сонце в даний момент знаходиться приблизно на середині свого життєвого шляху. Світити йому ще 7-8 млрд. років, після чого запаси водню в його надрах добігають кінця, і термоядерна реакціяперетворення водню на гелій почне згасати. В результаті цих природних природних процесівсонячне ядро ​​почне стискатися, а зовнішня оболонканавпаки, розширюватися. Сонце збільшиться настільки, що поглине Меркурій і, можливо, Венеру. У цей період Земля перетвориться на мляве скельний шматок породи, вся вода википить і випарується в космос, а потужний сонячний вітер зірве магнітну оболонку планети.

Однак до цього моменту наша Сонячна система може і не дожити. З великою ймовірністю вже через 2,4 млрд. років наша галактика Чумацький Шлях зіткнеться з сусідньою галактикою Андромеди (на даний момент галактики рухаються назустріч один одному).

А що ж буде з нашим Всесвітом загалом?

Із цього приводу у вчених існує кілька різних гіпотезз різними сценаріями. Озвучувати їх все не будемо, зупинимося коротко на найпопулярнішому з них, що має назву «Теплова смерть».

Суть «Теплової смерті» полягає в тому, що через 100 трильйонів років у Всесвіті повністю закінчаться процеси формування зірок. Коли згасне остання зірка, космос зрідка освітлюватимуть спалахи злиття двох білих карликів. Через 1015 років планети або впадуть на залишки своїх колишніх зірокабо підуть до інших тіл. Так само через 1019—1020 років об'єкти покинуть галактики. Невелика частина об'єктів впаде у надмасивну чорну дірку.

Подальший сценарій загибелі Всесвіту залежатиме від того, стабільний протон чи ні.

Однак, як зізнаються самі вчені, подальший перебіг подій у Всесвіті може бути зовсім іншим, оскільки всі наукові гіпотези, що існують на даний момент, ґрунтуються на певному науковому знанні про темну матерію. Деякі вчені не відкидають можливості існування інших форм темної матерії в перші моменти після Великого вибуху. Якщо це дійсно так, то Всесвіт може еволюціонувати зовсім за іншим сценарієм.

Однак, як би там не було насправді, за мірками людини життя і загибель Всесвіту дуже глобальне явище, яке розглядатиме з масштабу тривалості життя однієї людини, не має абсолютно ніякого сенсу.

Гіпотеза про те, що рано чи пізно Всесвіт перестане «розбігатися», і галактики знову полетять назустріч одна одній, здається, знайшла своє підтвердження. У такому разі, у нас залишилося не надто багато часу.

Існує думка, відповідно до якої, з самого моменту Великого Вибуху Всесвіт неухильно розширюється, і цей процес триватиме вічно. Відповідно до обчислень прихильників цієї гіпотези, вже через 150 мільярдів років Млений шлях піде настільки далеко від інших зоряних скупчень, що стане практично ізольованим островом в океані вічної темряви. Звичайно, землянам із цього приводу турбуватися не варто (все одно так довго людство в його нинішньому вигляді не протягне), але невиразне почуття образи таки турбувало душі вчених.

Тим не менш, результати двох досліджень, проведених вченими зі Стенфордського університету, схоже, спростовують гіпотезу Всесвіту, що вічно розширюється. На думку учасників дослідження, дуже скоро відцентрові процеси зміняться доцентровими, і через якихось 10-20 мільярдів років нащадки наших нащадків стануть свідками Великого Стиснення, тобто Великого розриву навпаки, коли весь світ почне стискатися в горошину розміром менше протона.

Непрямою основою цієї гіпотези стали міркування Ейнштейна, який запропонував існування у Космосі певної «невидимої енергії», протистоїть гравітаційним силам космічних тілі таким чином підтримує статичність Всесвіту.

Після того, як у 20-х роках минулого століття астроном Хабл відкрив так зване «червоне зміщення» і довів, що Всесвіт розширюється, Ейнштейн виключив «космологічну константу» зі своїх рівнянь. Однак історія, можливо, підтвердила його інтуїтивну здогад.

У 1998 році дві незалежні групи дослідників, які займалися вивченням наднових зірок, З подивом виявили, що швидкість «втікання» наднових набагато вище за розрахункову. Мало того, що галактики справді розбігаються, так і їхнє прискорення постійно зростає.

Щоб пояснити цей феномен, астрономам довелося повернутися до ейнштейнівської «невидимої енергії», яку назвали «темною енергією».

Експерименти, пов'язані з дослідженням наднових, показали, що «темна енергія» - не така вже й рідкісна штука: імовірно, наш Всесвіт лише на 30% складається зі звичайної матерії, а частина, що залишилася, припадає на частку «темної енергії».

Поширена думка припускала, що загальна щільність «темної енергії» має бути більше нуля. Цілком логічний погляд на речі, чи не так? Тим не менш, побутовий здоровий глузд не цілком застосовний до світу квантової фізики, і останнім часом вчені дійшли переконання, що згодом «темна енергія» може змінити свій знак з позитивного на негативний.

Тобто, якщо зараз «позитивна темна енергія» стимулює розширення Всесвіту, то «негативна темна енергія» почне грати на одному полі з гравітаційними силами, таким чином спровокує стрімке повернення галактик у точку, звідки і почався Великий Вибух. Найцікавіше полягає в тому, що процес стиснення повинен початися практично «ось-ось», оскільки людство, якщо вірити викладкам Андрія Лінде, (у минулому випускник МДУ, нині – професор фізики в Стенфорді) та його дружини Ренати Каллош, які стали авторами гіпотези, виникло не на початку, а саме в середині життєвого циклуВсесвіту.

Втім, засмучуватися нема через що: у нас у запасі ще як мінімум десять мільярдів років, щоб ретельно обміркувати плани на майбутнє і підібрати собі будиночок надійніше. Тим більше, якщо вірити пану Лінді, наш Всесвіт – лише одна з багатьох бульбашок, і «наша частина Всесвіту може загинути, але в цілому Всесвіт безсмертний – він просто змінює свої властивості».

Однак Роберт Кодвелл, співробітник Дартмурського коледжу в Нью-Хемпширі, думає інакше.

Грунтуючись на останніх наукових даних та власних викладках, він висуває нову теорію. Згідно з нею, на наш Всесвіт чекає яскраве майбутнє. Надзвичайно яскраве.

Теорія Кодвела називається Теорія Великого Розриву.

Головна думка дуже проста: «Темна енергія» згодом ставатиме все сильнішою і, зрештою, розірве все, що є у світі «звичайної» цілісної матерії.

Кодвелл та його колеги з Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені навіть вирахували, як відбуватиметься цей загальний «кінець світу».

Результати їх здивували: виходило, що в результаті приблизно через 22 мільярди років з цього моменту «темна енергія» розірве навіть атомні ядра – а це, як відомо, супроводжується потужним викидом енергії – «звичайної» енергії. Давайте на секунду уявімо, що кожен атом у Всесвіті розірвався.

Перед цим, звісно, ​​станеться багато чого іншого: наприклад, нашій Галактиці («Млечному Шляху») належить спочивати в бозі за 60 мільйонів років до «кінця всео». За три місяці до апокаліпсису втратить цілісність Сонячна Система. За півгодини до Великого розриву вибухне Земля.

Розпад атомних ядер відбудеться за 10-19 секунд до вибуху.

«Коли примарна енергія стане досить сильною, гравітаційна нестабільність перестане діяти, і Всесвіт стане однорідним. У результаті окремі частки виявляться ізольованими одна від одної...» - пише Кодвелл.

«Якщо хтось із гуманоїдів виживе, – каже інший прихильник ідеї Великого Розриву, британський астроном Мартін Різ, – вони зможуть бачити все, окрім останньої мілісекунди. Саме в цей момент космічне відштовхування перевищить еластичність наших тіл та розірве нас на частини. Це малоймовірно, але довести, що це не так, просто неможливо».

У зв'язку із майбутньою долею Всесвіту астрономи покладають великі надії на зонд SNAP. Цей зонд зробить детальні виміри тисяч наднових для того, щоб з'ясувати, з якою саме швидкістю вони розлітаються геть, і, якщо пощастить, дізнатися, як поводиться «темна енергія».

Як пише New Scientist, більшість фізиків навряд чи підтримують теорію Кодвелла. Занадто багато нових теоретичних питань вона порушує – забагато «головного болю».

Наприклад, теорія гравітації Ейнштейна не пророкує існування свого роду дір у просторі-часі. Зазвичай вони виникають і зникають настільки швидко, що виявити їх виявляється неможливим.

Однак, у майбутньому сила «темної», або «примарної», енергії виявиться досить великою, щоб підтримувати їх протягом тривалого часу, а це може означати можливість подорожей у часі та всіх тих теорій, які фізики вважають украй незручними.

На відміну більшості фантастів.

Якщо розширення Всесвіту прискорюватиметься, то він може стати пустельним. Помаранчеві кулі - це видима частина Всесвіту, яка росте зі швидкістю світла, а блакитні - частина простору, що розширюється. У міру того як швидкість розширення зростає, дедалі менше скупчень галактик залишається видимим.

У 1917 р., намагаючись узгодити загальну теорію відносності з природою Всесвіту, Ейнштейн зіткнувся з нерозв'язною на перший погляд проблемою. Як і більшість його сучасників, він був упевнений, що Всесвіт повинен бути стаціонарним (не розширюватися і не стискатися), але такий стан був несумісний з його рівняннями тяжіння. Зневірившись, Ейнштейн ввів додатковий космологічний член, який мав забезпечити стаціонарність Всесвіту, протидіючи гравітації.

Однак через 12 років американський астроном Едвін Хаббл (Edwin Hubble) виявив, що Всесвіт аж ніяк не стаціонарний. Він переконався, що далекі галактики швидко віддаляються від нашої, причому швидкості їхнього руху прямо пропорційні відстані від нас. Для пояснення Всесвіту, що розширюється, космологічний член був не потрібен, і Ейнштейн відмовився від нього. Американський фізик російського походженняГеоргій Гамов писав: «…коли я обговорював з Ейнштейном космологічні проблеми, він зауважив, що запровадження космологічного члена було найбільшою помилкою у житті».

Однак космологічна постійна, знову з'явившись у рівняннях після того, як було доведено, що розширення Всесвіту прискорюється, за іронією долі з'явилася в процесі вивчення принципів квантової механіки – того напряму фізики, який Ейнштейн так не любив. Сьогодні багато вчених припускають, що космологічний член дозволить вийти за рамки теорії Ейнштейна, що призведе до глибшого розуміння простору, часу, гравітації, а можливо, і квантової теорії, яка поєднує гравітацію з іншими силами природи. Це може змінити наші уявлення про Всесвіт.

Народження постійної

Загальна теорія відносності виникла як результат роботи Ейнштейна щодо розвитку його ключового відкриття у 1907 р. – еквівалентності гравітації та прискореного руху. Ейнштейн показав, що фізика в нерухомому ліфті в гравітаційному полі напруженістю g нічим не відрізняється від тієї, що в ліфті, що рухається в порожньому просторі з постійним прискоренням g.

На Ейнштейна вплинули філософські погляди австрійського вченого Ернста Маха (Ernst Mach), який відмовився від ідеї абсолютної системи відліку для простору-часу. У фізиці Ньютона інерція визначається як прагнення тіла рухатись із постійною швидкістю, якщо на нього не діє сила. Поняття постійної швидкості вимагає інерційної (тобто не прискорення) системи відліку. Але прискорення стосовно чого? Ньютон постулював існування абсолютного простору – нерухомої системи відліку, що визначає всі місцеві інерційні, які, на думку Маха, визначаються розподілом матерії у просторі, і загальна теорія відносності увібрала це уявлення.

ОГЛЯД: ПОВЕРТАЄТЬСЯ ДО МИНУЛОГО

1. Квантова механіка та теорія відносності, а також отримані нещодавно свідчення прискорення розширення Всесвіту призвели до того, що вчені знову згадали про космологічний член, який спочатку запровадив, а потім відкинув Ейнштейн. Сьогодні він репрезентує таємничу форму енергії, яка пронизує порожній простір і викликає прискорення розширення Всесвіту.

2. Спроби зрозуміти природу загадкової енергії можуть вивести фізиків за межі ейнштейнівської теорії, що може змінити наше уявлення про Всесвіт.

Теорія Ейнштейна стала першою концепцією, яка дозволила б дати узгоджену картину Всесвіту і описати не тільки те, як рухаються тіла у просторі та часі, а й динамічні зміни самих простору та часу. Намагаючись використати нову теорію для опису Всесвіту, вчений хотів отримати кінцеве стаціонарне рішення, пов'язане з принципом Маха (наприклад, кінцевий розподіл матерії, що розлітається в порожньому просторі, не відповідало уявленню Маха про те, що для визначення простору необхідна матерія). Це спонукало Ейнштейна ввести в рівняння космологічний член і отримати стаціонарне рішення, що не має меж, – його Всесвіт викривлявся подібно до поверхні кулі. У масштабі Сонячної системи космологічний член не піддавався фізичному виявленню, але у великих масштабах він мав створювати космічне «розштовхування», що перешкоджає гравітаційному тяжінню віддалених тіл.

Проте інтерес Ейнштейна до космологічного члена швидко згас. У 1917 р. голландський вчений Віллем де Сіттер (Willem de Sitter) показав, що він може отримати для простору-часу рішення з космологічним членом навіть за відсутності матерії. У 1922 р. радянський фізик Олександр Фрідман побудував моделі всесвіту, що розширюється і стискається, обійшовшись без космологічної постійної. У 1930 р. британський астрофізик Артур Еддінгтон (Arthur Eddington) показав, що всесвіт Ейнштейна не стаціонарний: якщо гравітаційний і космологічний члени так точно узгоджені, найменше обурення має призвести до її стрімкого стиснення або розширення. У 1931 р., коли Хаббл переконливо довів розширення Всесвіту, Ейнштейн відмовився від космологічного члена.

Відкриття Хаббла усунуло необхідність у космологічній постійній для протидії гравітації, яка у всесвіті, що розширюється, уповільнює розширення. Але чи досить сильна гравітація, щоб зупинити розширення всесвіту і змусити його стискатися і зрештою колапсувати? Чи космос розширюватиметься вічно? У моделях Фрідмана відповідь залежить від середньої густини матерії: з високою вона колапсує, а з малої – розширюватиметься вічно. Прикордонним випадком стане всесвіт критичної щільності, яка буде розширюватися, але з швидкістю, що постійно зменшується. Оскільки в теорії Ейнштейна середня кривизна всесвіту визначається середньою щільністю матерії, геометрія та її кінцева доля пов'язані між собою. Всесвіт високої щільності має позитивну кривизну, як поверхню кулі, малої – негативну, як поверхню сідла, а Всесвіт критичної щільності – просторово плоский. У результаті космологи дійшли висновку, що визначення геометрії Всесвіту та її щільності дозволить судити про її кінцеву долю.

Енергія порожнечі

Протягом 60 років космологічний член був викинутий з космології (крім періоду, коли він був включений у запропоновану наприкінці 40-х рр. теорію стаціонарного всесвіту, рішуче відкинуту в 60-х рр.). Якби Ейнштейн не ввів цієї постійної після розробки загальної теорії відносності, її присутність все одно була б неминучим. Сьогодні космологічний член виник не з теорії відносності, яка описує природу в найбільших масштабах, а з квантової механіки, фізики найменших масштабів.

Нова концепція космологічного члена зовсім відмінна від введеної Ейнштейном. Його початкове рівняння поля $G_(\mu\nu) =8\pi G T_(\mu\nu)$, де $G$ - гравітаційна постійна, що характеризує інтенсивність гравітаційного поля, пов'язує кривизну $G_(\mu\nu)$ простору з розподілом $T_(\mu\nu)$ матерії та енергії. Коли Ейнштейн додав космологічний член, він помістив його у лівій частині рівняння, вважаючи його властивістю самого простору. Але якщо переставити цей член у праву частину, він набуде зовсім іншого значення – те саме, що йому приписують сьогодні. Тепер він представляє загадкову нову форму щільності енергії, яка залишається постійною навіть при розширенні Всесвіту, а підсумкова гравітація виявляється силою відштовхування, а не тяжіння.

Відповідно до лоренц-інваріантності, фундаментальної симетрії, пов'язаної як з приватною, так і загальною теоріями відносності, такий вид енергії може існувати тільки в порожньому просторі. Тому космологічний член видається ще більш загадковим. На питання, чому дорівнює енергія порожнього простору, більшість людей дасть відповідь – нічому. Зрештою це єдине інтуїтивно зрозуміле значення.

На жаль, квантова механіка аж ніяк не інтуїтивна. У дуже малих масштабах, де квантові ефекти стають відчутними, навіть порожній простір не такий. У ньому з вакууму з'являються віртуальні пари частка-античастка, пролітають невелику відстань і знову зникають, причому все це відбувається в такому незначному проміжку часу, що їх неможливо спостерігати. Однак непрямі ефекти є дуже важливими і можуть бути виміряні. Зокрема, віртуальні частки впливають спектр водню, причому розрахунки експериментально підтверджені.

Прийнявши це положення, ми маємо розглянути можливість, що віртуальні частки можуть наділяти порожній простір деякою ненульової енергією. Таким чином, квантова механіка змушує враховувати ейнштейнівську космологічну постійну, яка не може бути відкинута як «теоретично незадовільна». Проте всі розрахунки та оцінки величини енергії порожнього простору призводять до абсурдно більших значень – на 55–120 порядків, що перевищують енергію всієї матерії та випромінювання у спостерігається Всесвіту. Якби щільність енергії вакууму справді настільки велика, вся речовина у Всесвіті миттєво розлетілася б у різні боки.

ЗМІНА ПРЕДСТАВ

В основі загальної теорії відносності лежить рівняння поля, яке стверджує, що геометрія простору-часу (Ейнштейнов тензор кривизни $G_(\mu\nu)$) залежить від розподілу речовини та енергії (тензора $T_(\mu\nu)$ енергії- імпульсу). [Тензор – це геометрична або фізична величина, яка може бути представлена ​​сукупністю (матрицею) чисел.] Іншими словами, кривизну поля визначають речовину та енергія: $$G_(\mu\nu) =8\pi G T_(\mu\nu ),$$ де $G$ – ньютонівська постійна, що визначає інтенсивність гравітаційного поля.

Щоб отримати модель стаціонарного Всесвіту, Ейнштейн ввів космологічну постійну $\Lambda$ для компенсації гравітаційного тяжінняу космічних масштабах. Він додав її (помножену на метричний тензор $g_(\mu\nu)$, що визначає відстані) до лівої частини рівняння поля, вважаючи, що ця постійна є властивістю самого простору-часу: $$G_(\mu\nu)+\ Lambda g_(\mu\nu) = 8\pi G T_(\mu\nu).$$

Коли з'ясувалося, що Всесвіт розширюється, Ейнштейн відмовився від нього. Необхідність у новій космологічній постійній, яку сьогодні розглядають фізики, обумовлена ​​квантовою теорією, згідно з якою вакуум (порожній простір) може мати деяку невелику щільність енергії. Щільність енергії вакууму $\rho_(VAC)$, помножена на gμν, повинна знаходитися в правій частині рівняння разом з іншою формою енергії: $$G_(\mu\nu) =8\pi G(T_(\mu\nu) + \rho_(VAC) g_(\mu\nu)).$$

Хоча в математичному відношенні космологічна стала Ейнштейна та енергія вакууму еквівалентні, концептуально вони різні: перша є властивістю простору, а друга – формою енергії, обумовленої віртуальними парами частка-античастинка. Квантова теорія стверджує, що частки постійно з'являються у вакуумі, існують дуже короткий час та зникають (див. схему).

Ця проблема виникла ще 30-х рр., коли було проведено перші розрахунки властивостей віртуальних частинок. Однак у всіх галузях фізики, не пов'язаних з гравітацією, абсолютна енергія системи не має значення, істотна лише різниця енергій різних станів. Якщо до всіх значень енергії додати деяку константу, з результатів обчислень вона випаде, тож її легко знехтувати. Крім того, в ті часи деякі фізики ставилися до космології настільки серйозно, щоб подумати про додаток до неї квантової теорії.

Проте теорія відносності вимагає, щоб джерел гравітації розглядалися всі форми енергії, включаючи енергію порожнечі. Наприкінці 60-х років. Радянський фізик Яків Борисович Зельдович зробив перші спроби оцінити щільність енергії вакууму. З того часу теоретики і б'ються над питанням, чому їх розрахунки дають такі абсурдно великі значення енергії. Вони вважають, що переважну частину енергії, якщо не всю її, має анулювати якийсь механізм. Вони вважають, що найправдоподібнішим значенням щільності енергії вакууму має бути нуль: ніщо, навіть квантове, не має ні на що впливати.

Поки теоретики в глибині душі вірили, що такий механізм компенсації енергії може існувати, вони могли відкласти вирішення проблеми постійної космологічної на майбутнє, оскільки нею можна було знехтувати. Проте втрутилася природа.

Крок назад

Перше свідчення деяких невідповідностей було отримано результаті досліджень уповільнення розширення Всесвіту. Як ми пам'ятаємо, Хабл виявив, що відносні швидкості видалення далеких галактик пропорційні їх відстаням від нашої Галактики. З точки зору загальної теорії відносності, співвідношення зумовлене розширенням самого простору, який повинен уповільнюватись через гравітаційне тяжіння. Але оскільки дуже далекі галактики видно такими, якими вони були мільярди років тому, уповільнення має спричинити порушення лінійності співвідношення Хаббла. Найбільш далекі галактики повинні віддалятися швидше, ніж передбачає його закон. Складність, однак, є точними вимірами відстаней до дуже далеких всесвітів та їх швидкостей.

Ці обчислення ґрунтуються на пошуку еталонних «свічок» – об'єктів відомої власної світності, досить яскравих, щоб їх можна було бачити через увесь Всесвіт. Прорив настав у 1990-х роках. в результаті калібрування наднових типу Ia, які вважаються вибухами білих карликів з масами близько 1,4 мас Сонця. Для виміру уповільнення розширення Всесвіту було створено: Космологічний проект «Надновий» на чолі із Солом Перлмутером (Saul Perlmutter) у Національній лабораторії ім. Лоуренса в Берклі і Група пошуку наднових з великими z, очолювана Браяном Шмідтом (Brian Schmidt) в обсерваторіях Маунт-Стромло та Сайдінг-Спрінг. На початку 1998 р. обидві групи зробили те саме відкриття: останні 5 млрд. років розширення Всесвіту не сповільнювалося, а прискорювалося. З'ясувалося, що до цього часу була фаза уповільнення (див. «Від уповільнення до прискорення», «У світі науки», № 5, 2004).

Однак на існування якоїсь невідомої формиенергії, що зумовлює розширення Всесвіту, вказують як дані спостережень наднових. Сьогодні найточнішу картину раннього Всесвіту дали вимірювання космічного мікрохвильового фону (МКФ) – залишкового випромінювання Великого вибуху, що дозволяє виявити властивості Всесвіту віком близько 400 тис. років. До 2000 р. виміри кутових розмірів неоднорідностей МКФ досягли точності, яка дозволила вченим встановити, що геометрія Всесвіту є плоскою. Відкриття було підтверджено даними космічного апарату WMAP (Вілкінсонівський зонд анізотропії мікрохвиль) та іншими експериментами, проведеними у 2003 році.

Щоб геометрія Всесвіту була просторово плоскою, середня щільність матерії в ній повинна дорівнювати критичній. Однак численні вимірювання всіх її форм, включаючи гіпотетичну холодну темну речовину - море повільних частинок, які не випромінюють світло, але мають гравітаційне тяжіння, - показали, що щільність матерії становить лише 30% критичної. Для того щоб Всесвіт був плоским, необхідно існування іншої форми однорідно розподіленої енергії, що не помітно впливає на місцеву кластеризацію, але здатної скласти недостатні 70% критичної щільності. Потрібний ефект може дати енергія вакууму чи щось подібне.

Є ще й третій ряд доказів на користь того, що прискорення розширення Всесвіту було недостатньою частиною космологічної головоломки. Протягом двох десятків років основним поясненням структури Всесвіту були парадигма інфляції у поєднанні з холодною темною речовиною. Теорія інфляції стверджує, що у перші моменти свого існування Всесвіт миттєво розширився до величезних розмірів, що зумовило площинність її геометрії та викликало квантові флуктуації щільності енергії в масштабах від субатомного до космічного. Швидке розширення призвело до спостережуваної неоднорідності МКФ та сприяло формуванню нинішньої структури Всесвіту. Утворенням цих структур керувала гравітація холодної темної речовини, якої набагато більше, ніж звичайної.

Однак до середини 90-х років. дані спостережень поставили цю парадигму під сумнів. Передбачений рівень кластеризації речовини значно відрізнявся від виміряного, і Всесвіт виявився молодшим за найстаріші зірок. У 1995 р. автори цієї статті вказали, що розбіжності зникають, якщо прийняти, що близько 2/3 критичної густини становить енергія вакууму. (Запропонована модель відрізняється від замкнутого Всесвіту Ейнштейна, в якому значення щільності космологічної постійної становила половину щільності речовини.) Наше припущення було щонайменше зухвалим.

МОДЕЛІ КОСМОСУ: РАНІШЕ ТА ТЕПЕР

Космологічна модель Ейнштейна описує кінцевий у просторі, але нескінченний у часі всесвіт. Її розмір постійний, а просторові межі відсутні. Вона викривляється, замикаючись подібно до кола (ліворуч). Після того, як було виявлено розширення Всесвіту, космологи зосередилися на моделі нескінченного всесвіту, розширення якого постійно уповільнюється під дією сил тяжіння (у середині).

У 1980-х роках. Теоретики доопрацювали модель, доповнивши її початковою фазою швидкого розширення (інфляцією). Спостереження останніх шести років показали, що близько 5 млрд років тому розширення Всесвіту почало прискорюватися (праворуч). Що чекає на Всесвіт зрештою - продовження розширення, колапс або надшвидке розширення, зване Великим розльотом, - залежить від природи таємничої темної енергії, що прискорює розширення Всесвіту.

Однак тепер, майже через 10 років, все зійшлося. Відроджена космологічна стала дозволила не тільки пояснити нинішнє прискорення розширення Всесвіту і уповільнення, що передувало йому, але й збільшити вік Всесвіту до 14 млрд. років і додати рівно стільки енергії, щоб довести її щільність до критичного значення. Однак фізики все ще не знають, чи справді джерелом такої енергії є квантовий вакуум. Оскільки необхідно було встановити природу космологічної постійної, вчені почали займатися кількісним визначенням енергії вакууму, і головоломка стала ще заплутанішою, ніж тоді, коли фізики намагалися побудувати теорію, яка виключала б енергію вакууму. Сьогодні вченим необхідно зрозуміти, чому вона може бути відмінною від нуля, але настільки малою, що її вплив на космос став суттєвим лише кілька мільярдів років тому.

Ейнштейн, розглядаючи несумісність приватної теорії відносності з теорією гравітації Ньютона, зробив відкриття. Так само і сучасні фізики, розглядаючи теорію Ейнштейна, прагнуть включити до неї закони квантової механіки. Можливо, космологічні спостереження дозволять виявити зв'язки гравітації із квантовою механікою. Ейнштейну допомогла еквівалентність гравітації та фізики прискорених систем відліку. Можливо, що сьогодні дороговказом стане інший вид прискорення – прискорення розширення Всесвіту.

Світ суперсиметрії

Багато фізиків вважають, що поєднати квантову механіку з гравітацією може теорія струн (М-теорія). Одне з основних положень – існування суперсиметрії, тобто. симетрії між частинками з напівцілим спином (такі ферміони, як кварки та лептони) та частинками з цілочисленним спином (такі бозони, як фотони, глюони та інші носії сил взаємодії). Там, де проявляється суперсиметрія, маси частки та її партнери мають бути однаковими. Наприклад, суперсиметричний електрон (електрон) повинен бути таким же легким, як електрон, і т.д. Крім того, можна довести, що в «суперсвіті» квантове ніщо не матиме жодної маси, а вакуум повинен мати нульову енергію. Передбачається, що в реальному світі електрона з масою, що дорівнює масі електрона, не існує, інакше фізики б його виявили. Теоретики вважають, що частки-суперпартнери в мільйони разів важчі за електрон і тому, щоб їх виявити, потрібні суперпотужні прискорювачі елементарних частинок. Можливо, що суперсиметрія – це порушена симетрія, коли квантове ніщо може мати деяку масу.

Фізики побудували моделі порушеної суперсиметрії, в яких щільність енергії вакууму набагато менша за абсурдно завищені оцінки, отримані раніше. Але навіть ці значення набагато більші за ті, на які вказують дані космологічних спостережень. Нещодавно з'ясувалося, що М-теорія припускає нескінченна безлічрізних рішень, які призводять до надто великих значень густини енергії вакууму. Але є й такі, за яких вона виявляється досить малою, щоб узгодити її з результатами космологічних спостережень (див. «Ландшафт теорії струн», «Світ науки», №12, 2004 р.).

Ще одна особливість теорії суперструн – постулювання існування більшої кількості просторових вимірів. До трьох звичайних вимірів додаються ще 6 або 7 прихованих і з'являється ще одне пояснення прискорення розширення Всесвіту. Георгій Двалі (Georgi Dvali) з Нью-Йоркського університету та його колеги припустили, що вплив цих додаткових вимірів може проявлятися у вигляді додаткового члена в рівнянні ейнштейнівського поля, який і може обумовлювати прискорення розширення Всесвіту. Раніше вважалося, що відмінності між загальною теорією відносності та наступними теоріями виявляються в умовах малих, а не космічних відстаней. Підхід Двалі суперечить цій думці.

Можливо, що пояснення прискорення розширення Всесвіту ніяк не буде пов'язане з тим, що космологічний член такий малий, або з узагальненням теорії Ейнштейна для включення до неї квантової механіки. Загальна теорія відносності стверджує, що гравітація об'єкта пропорційна сумі густини його енергії та потрійного внутрішнього тиску. Будь-якій формі енергії з негативним внутрішнім тиском відповідає гравітація, що розштовхує. Тому прискорення розширення Всесвіту може бути викликане просто існуванням незвичайного виду енергії, що називається темною енергією, яка не передбачається ні квантовою механікою, ні теорією суперструн.

Геометрія та кінцева доля Всесвіту

Як би там не було, факт прискореного розширення Всесвіту назавжди змінив наші уявлення про майбутнє. Ми більше не пов'язуємо кінцеву долю світу із геометрією. Плоский всесвіт, в якому домінує позитивна енергія вакууму, буде розширюватися вічно і з швидкістю, що все збільшується, а всесвіт, в якому переважає негативна енергія вакууму, зрештою колапсує. Якщо ж темна енергія взагалі не є енергією вакууму, її вплив на розширення Всесвіту залишається незрозумілим. Можливо, що на відміну від постійної космологічної щільність темної енергії може з часом зростати або зменшуватися. Якщо він збільшуватиметься, розширення Всесвіту прискорюватиметься, розриваючи на частини спочатку галактики, потім планетні системизірок, потім планети і зрештою атоми. Якщо щільність темної енергії зменшиться, прискорення розширення може припинитися. А якщо ця щільність стане негативною, Всесвіт рано чи пізно колапсує. Без знання деталей походження енергії, що викликає розширення Всесвіту, жодна сукупність космологічних спостережень не дозволить визначити її кінцеву долю.

ІСТОРІЯ

90 років тому Ейнштейн вперше ввів космологічну постійну, потім її було відкинуто, модифіковано і воскрешено.

ЛЮТИЙ 1917 р. Ейнштейн запровадив космологічний член для компенсації гравітаційного тяжіння, що дозволило йому збудувати теоретичну моделькінцевого стаціонарного Всесвіту.
БЕРЕЗЕНЬ 1917 р.Голландський космолог Віллем де Сіттер запропонував модель із космологічним членом. Пізніше було показано, що їй відповідає розширення Всесвіту, що прискорюється.
1922 р.Радянський фізик Олександр Фрідман побудував моделі всесвіту, що розширюється і стискається, без використання космологічної постійної.
1929 р.Американський астроном Едвін Хаббл виявив, що Всесвіт розширюється. Через два роки Ейнштейн відмовився від космологічного члена, назвавши його «теоретично незадовільним».
1967 р.Радянський фізик Яків Борисович Зельдович оцінив щільність енергії квантового вакууму і виявив, що їй відповідає колосальний космологічний член.
1998 р.Дві групи мисливців за надновими, очолювані Солом Перлмутером та Браяном Шмідтом, повідомили, що розширення Всесвіту прискорюється. Цей ефект міг бути описаний модифікованим космологічним членом. Після 1998 р. було отримано більш вагомі підтвердження прискорення розширення Всесвіту.

Майбутнє нашого Всесвіту визначатиме фізика порожнього простору. Потрібні нові виміри розширення Всесвіту та космічних структур, які вкажуть теоретикам напряму роботи Плануються експерименти, зокрема з використанням космічного телескопа, призначеного для спостереження далеких наднових і наземних телескопів для дослідження темної енергії, а також її впливу на великомасштабні структури.

Туман невідомості привів Ейнштейна до того, що він, намагаючись побудувати стаціонарний махівський Всесвіт, став розглядати космологічний член. Сьогодні плутанина щодо прискорення розширення Всесвіту спонукає фізиків використовувати всі можливі шляхи, щоб зрозуміти природу енергії, яка прискорює розширення. Втішає лише факт, що в результаті це може призвести дослідників до об'єднання сил гравітації з іншими силами природи, що було найзаповітнішою мрією Ейнштейна.

(«У світі науки», №12, 2004)

ПРО АВТОРИ:
Лоренс Крос (Lawrence M.Krauss) і Майкл Тернер (Michael S. Turner) першими припустили, що у Всесвіті домінує космологічний член. Їхній прогноз (1995 р.) про прискорення розширення Всесвіту було підтверджено даними астрономічних спостережень. Декан фізичного факультетуУніверситету Західного резервного району (Case Western Reserve University) в Клівленді (шт. Огайо), Крос написав сім популярних книг, включаючи «Фізику зіркового шляху» (The Physics of Star Trek) і готується до друку «Сховані в дзеркалі: Таємнича чарівність додаткових вимірів »(Hiding in the Mirror: The Mysterious Allure of Extra Dimensions). Тернер, професор університету Чикаго, працює заступником директора Національного наукового фонду США з математичних і фізичних наук.

Коментарі (116):

>Помаранчеві кулі - це видима частина Всесвіту, яка росте зі швидкістю світла, а блакитні - частина простору, що розширюється.

Не цілком точне твердження, суть якого, на мій погляд, полягала в тому, що в Всесвіті, що прискорено розширюється, швидкість зростання хаблівської сфери зменшується з часом $$ \frac(d)((dt))(R_(H)) = c\frac (d)((dt))\left((\frac(1)(H)) \right) = \frac((c\dot H))((H^2 )) = \frac(c)(( H^2 ))\left((\frac((\ddot a))(a) - \frac((\dot a^2 ))((a^2 ))) \right) = c(1 + q ), $$ де $q$ - параметр уповільнення $q=-\frac(\ddot a)(aH^2 )$. Галактики, що лежать на хаблівській сфері, віддаляються від нас зі швидкістю світла. У Всесвіті з уповільненим розширенням $(q>0)$ хаблівська сфера, маючи швидкість, що перевищує швидкість світла на величину $cq$, пережене ці галактики. Таким чином, галактики, що спочатку перебували поза хабблівською сферою, виявляться всередині неї.

У Всесвіті, що прискорено розширюється, параметр уповільнення негативний ($q

А якщо відкинути убік антропний центризм, все стане на свої місця.

Наш Всесвіт (НВ) є мала частина Нашої Чорної Діри (НЧД).

НЧД, поглащая матерію_речовина із зовнішнього всесвіту, збільшує свою масу, свої розміри, що і є причиною розширення НЧД і, як наслідок, причиною розширення НВ.

швидкість зміни розмірів НЧД є абсолютно максимальна швидкість всіх еволюційних процесів всередині НЧД (це наша швидкість світла), і першопричина всіх цих процесів.

Немає необхідності вводити та шукати "темну" матерію... "темну" енергію...

Сенс у тому, що будь-яка матюка. модель описує реальний об'єкт із кінцевою точністю. Якщо точність мат. моделі прийнятна, то їй можна скористатися.

Але якщо матюки. модель дає помилку, не порівнянну з прийнятною (прийнятна помилка - помилка, що не перевищує точності вимірювання), то Це вірний сигналдо того що модель відповідає реаліям, до того що мат. апарат вимагає, якщо не доопрацювання, то повної заміни (хоч би як оспорювалася ця позиція).

Згідно зі статтею "Походження Всесвіту" (на цьому сайті) помилка моделі більш ніж у 20 разів перевищує оцінку реального заповнення НВ.

Ця помилка криється саме в антропному центризмі:

НВ єдина у світоустрої. Усі зовнішні всесвіти ніяк не впливають на НВ.

Але є просте питання:

Якщо НВ розширюється, то КУДИ?, Які властивості простору яке розширюється НВ?

Проста екстраполяція міркувань знімає обмеження в поняттях на причини розширення НВ-це робота зовнішніх по відношенню до НВ сил.

Теорія інфляції дає відповідь і друге питання: при катастрофічному розширення період інфляції Всесвіт розширилися в $10^(10^(100))$ раз. При такому розширенні будь-яка геометрія буде відмінна від плоскої. Наприклад, якщо "кривизну" яблука ви побачите можете, то з кривизною Землі, все набагато складніше, а при інфляції - в $10^(10^(100))$ разів складність збільшується пропорційно.

Теорія струн (подальшим розвитком якої стала теорія суперструн і М-теорія) вважається одночасно і однією з найбільш перспективних (кандидатом в "теорію всього"), і однією з найспірніших ідей у ​​сучасній фізиці. Весь набір елементарних частинок у струнній теорії описується у вигляді стоячих хвиль різної частоти в багатовимірному просторі (які представляють у вигляді вібруючих "струн" або "петель"). Найбільша проблема, пов'язана з цією теорією, полягає в тому, що вона, судячи з усього, здатна описувати який завгодно світ (хоч би який був наш реальний світ, Завжди можна підібрати правильно описують його параметри суперструнної теорії), а значить, не здатна нічого передбачати (тобто не відповідає критерію фальсифікованості в попперівському сенсі). Спроби виходу з цього глухого кута, звичайно, не припиняються, і ось одна з таких спроб була зроблена нещодавно групою вчених з Прінстонського університету(Princeton University), яку очолював наш колишній співвітчизник, професор кафедри фізики Ігор Клебанов. Можливо, їм вдасться нарешті відшукати зв'язок між гравітацією і силами, які давно розшукуються, домінуючими в масштабах атомного ядра, реальність якої можна буде перевірити в майбутньому в лабораторних умовах.

Дослідники з Прінстона знайшли математичний доказ того, що деякі з передбачень струнної теорії певним чином пов'язані зі наслідками із цілком поважного та шанованого розділу фізики, що називається "квантовою хромодинамікою" (КХД), яка описує взаємодії між "кольоровими" кварковими і глюонними полями субатомними об'єктами, що формують в результаті сильної взаємодії ті самі "цеглинки" (адрони), з яких складається вся навколишня речовина - протони, нейтрони (плюс більш екзотичні частки на кшталт мезонів і гіперонів). Це відкриття може відкрити шлях для використання струнної теорії при вирішенні практичних завданьфізики.

"Раніше ми могли вивчати такі взаємодії лише при найвищих енергіях, що забезпечуються, наприклад, прискорювачами частинок, проте надалі зможемо описувати і те, що відбувається в звичайних умовах - тобто атоми, які складають каміння і дерева, що оточують нас. Поки ми ще не подолали цей розрив, але математичний апарат струнної теорії, мабуть, цього здатний",

Відповідну статтю опубліковано в науковому журналі Physical Review Letters (PRL) 30 березня. Співавторами Клебанова стали аспірант Маркус Бенна (Marcus Benna) та постдоки Серджіо Бенвенути (Sergio Benvenuti) та Антонело Скардіккйо (Antonello Scardicchio).

При високих енергіях (серед частинок, що взаємодіють один з одним при навколосвітлових швидкостях) сила, що скріплює кварки, настільки слабшає, що експериментатори можуть як би "розірвати" частинки на складові частини та вивчати їх якусь мить "поодинці". На жаль, ці спостереження непридатні для протонів і нейтронів, які у звичних нам умовах - тоді зв'язок між кварками стає занадто міцної (все це вчені зрозуміли ще 1970-х рр.). У 1997-1998 pp. з'явилася етапна робота фізиків з Прінстона, які займалися калібрувальними полями: Олександра Полякова (члена-кореспондента РАН), Стівена Габсера (Steven Gubser) і Клебанова, - а також аргентинського теоретика Хуана Малдасени (Juan Maldacena) та Едварда Утен Інституту передових досліджень (Institute for Advanced Study – IAS), яка дозволила дещо зблизити КХД та теорію струн. Важливим розвитком цього напряму стала робота доцента з Прінстона Нікласа Байзерта (Niklas Beisert), який видав свою статтю наприкінці жовтня минулого року, що дозволило групі Клебанова надалі навести "міст" між вже встановленими рівняннями субатомної фізики та теорією струн.

Звичайно, розрив між відомими визнаними теоріями на кшталт КХД та "новою фізикою" ще не зник повністю, проте надія на заповнення проміжку між слабо і сильно взаємодіючими режимами калібрувальної теорії за допомогою нових

Відтворення ефектного результату Бекенштайна-Хокінга, згідно з яким ентропія чорної дірки дорівнює чверті площі її горизонту, стало викликом і справою честі для будь-якої теорії квантової гравітації, що претендує на серйозне місце в історії. Понад те, оскільки ентропія передбачається відповідної мірою інформації, треба відповідати й наступне запитання: що це інформація, яку враховує ентропія чорної діри під час поглинання матерії? LQG це питання відповідає тим, що дає докладний описмікроскопічної структури горизонту чорної дірки. Цей опис побудовано, у свою чергу, на основі елементарного опису просторової геометрії, з якого випливає, що площа горизонту чорної діри теж квантована - як і простір, вона складається з дискретних одиниць, і кожна квантована одиниця площі горизонту може мати лише кінцеву кількість станів. Підраховуючи їх, одержують точно результат Бекенштайна - з однієї четвертої площі. Цього висновку розробники LQG дійшли зовсім недавно - у другій половині 1990-х і на початку 2000-х років.

З середини 1990-х років відзначається помітний прогрес і на іншому, більш відомому суспільству напрямку руху до «Теорії Усього» - теоретично струн. Використовуючи надзвичайно нетривіальну математику, ця теорія оперує моделлю мікроскопічних струн, що вібрують у багатовимірному просторі та породжують усі відомі частки разом із їх взаємодіями. У кількісному відношенні фізиків-«струнників» разів на десять більше, ніж прихильників LQG. Почасти популярність теорії струн пояснюється успішним піаром, але є, звичайно, і набагато більше глибокі причини. Кожна з п'яти різних теорій струн передбачає структуру, яка включає не лише гравітаційні ефекти ОТО на великих відстанях, а й ефекти квантової механіки на відстанях малих. Вже одне це є найважливішою причиною для інтенсивного вивчення теорії струн, якщо врахувати, що загальноприйнята сьогодні Стандартна модель теорії квантового поля робить гравітацію неможливою. досліджень у Прінстоні вдалося побудувати єдину концепцію (М-теорію), яка звела в загальну картинуп'ять теорій, які раніше передбачалися зовсім різними.

Трохи раніше Джо (Joe Polchinski) з Каліфорнійського університету Санта-Барбари відкрив і розвинув у теорії струн математичний апарат мікроскопічних об'єктів, які називаються D-Бранами (узагальнення поняття вібруючої мембрани для різних розмірностей). Незабаром цей апарат і М-теорія, що спирається на нього, дозволили Ендрю Стромінгеру і Кумруну Вафе з Гарварда (Andrew Strominger, Cumrun Vafa) дати опис фізики чорних дір у термінах струн і D-бран, тобто в термінах фундаментальних будівельних блоків природи. Причому значення ентропії Бекенштайна-Хокинга отримано очікуваний результат - чверть площі горизонту. Можна говорити, що в теорії струн ентропія виведена шляхом підрахунку кількості квантових мікростанів чорної дірки, тобто в тому самому сенсі, як Людвіг Больцман колись вивів уже відому ентропію газу на основі глибших міркувань підрахунком різних мікростанів цього газу. Найважливіший наслідок результату Стромінгера-Вафи в тому, що будь-яка інформація, що потрапляє в чорну дірку, не безповоротно втрачається (так завжди стверджував Стівен Хокінг), а накопичується у внутрішній структурі D-бран. Тобто теоретично виведено, можна сказати, закон збереження інформації у всесвіті.

Ще однією найважливішою розробкою 1990-х років, що веде до дискретно-інформаційної картини світу, став так званий голографічний принцип. Цікаво, що він змушує фізиків-теоретиків вдаватися до слова «інформація» в ситуаціях, коли до ладу навіть неясно, про що у фізичному сенсі йдеться. Одне це вже цікаво і заслуговує на розгляд, оскільки на основі голографічного принципу вдається отримувати перспективні, а іноді просто вражаючі результати.

Сьогодні голографічний принцип існує вже у кількох версіях. Сама ж ідея була висунута 1993 року голландським теоретиком, нобелівським лауреатомГерардом 'т Хоофтом (Gerard 't Hooft) з Утрехтського університету і суттєво розвинена Леонардом Зюсскіндом. В основі принципу лежить кордон Бекенштайна, що задає межу кількості інформації, що міститься в цьому обсязі простору. Зюскінд довів, що кінцева інформаційна ємність (ентропія) будь-якої системи залежить не від її обсягу, а від площі поверхні, що обмежує цю систему. Це і є згаданий раніше голографічний кордон Зюскінда. Голографічною вона названа тому, що принципи голографії дають такому разючому результату цілком природне пояснення. Адже в нашому повсякденному світіголограма - це вид фотографії, що породжує повноцінний тривимірний образ об'єкта за допомогою інформації, яка особливим чином закодована на двомірному шматку плівки. Голографічний принцип 'т Хоофта стверджує, що аналог цієї «візуальної магії» застосовний і до повного фізичного описубудь-якої системи, що займає певний обсяг простору.

На сьогодні в теоретичній фізиці є вже кілька прикладів найцікавішої реалізації цієї ідеї. Згадаємо, зокрема, роботу (1997) молодого аргентинського теоретика Хуана Малдасени (Juan Maldacena), який використовував модель антидеситтерівського простору-часу. (Простір-час де Сіттера - це модель симетричного всесвіту, що розширюється, вперше отримана голландським астрономом Віллемом де Сіттером в 1917 році як рішення рівнянь Ейнштейна, що включає силу відштовхування. Якщо ж змінити знак космологічної константи, тобто силу відштовхування в силу відштовхування в силу відштовхування в силу відштовхування в силу рішення де Сіттера звертається в так званий антидеситтерівський простір-час, який має кордон, розташований «на нескінченності» і при цьому дуже схожий на звичний нам простір-час.
У Малдасени вийшов п'ятивимірний всесвіт, що описується в термінах теорії струн і функціонує в антидеситтерівському просторі, але при цьому еквівалентна квантовій теорії поля, що оперує на чотиривимірній межі простору-часу. Таким чином, вся величність теорії суперструн в антидеситтерівському всесвіті виявляється записаною на межі цього всесвіту. Згодом це незвичайне «голографічне» співвідношення було неодноразово підтверджено і для інших варіантів простору-часу, з різними поєднаннями розмірностей, у роботах багатьох дослідників (зокрема і наших співвітчизників Ігоря Клебанова та Олександра Полякова, які працюють у Прінстонському університеті).

Ці результати означають, що дві дуже різні теорії, що навіть діють у просторах різної розмірності, є еквівалентними. І що теорії гравітації можуть виявлятися тією самою річчю, що й квантові теорії поля, якщо дивитися на них належним чином. При цьому мислячі створіння, що живуть в одному з таких всесвітів, в принципі не можуть визначити, чи знаходяться вони в п'ятивимірному всесвіті, що описується теорією струн, або ж у чотиривимірному світі, що описується квантовою теорією поля точкових частинок. А вибір одного з варіантів опису робиться на основі забобонів жителів, що спираються на вроджені уявлення і «здоровий глузд» (подібно до того, як ми переконані, що наш світ має лише три просторових і один тимчасовий вимір). Тим не менш, голографічна еквівалентність може дозволяти, щоб складні обчисленняу граничному чотиривимірному просторі-часі були замінені набагато простішими розрахунками у високосиметричному п'ятивимірному антидеситтерівському просторі.

Космологічна стала - фізична стала, що характеризує властивості вакууму, яка вводиться в загальній теорії відносності. З урахуванням космологічної постійної рівнянняЕйнштейна мають вигляд

$$R_(ab) - (R \over 2) g_(ab) + \Lambda g_(ab) = (8 \pi G \over c^4) T_(ab)$$

де $ \ Lambda $ - космологічна постійна, g ab - метричний тензор, R ab - тензор Річчі, R - скалярна кривизна, T ab - тензор енергії-імпульсу, c - швидкість світла, G - гравітаційна стала Ньютона.

Космологічна стала була введена Ейнштейном для того, щоб рівняння допускало просторово однорідне статичне рішення. Після побудови теорії космологічної моделі, що еволюціонує, Фрідмана і отримання підтверджуючих її спостережень, відсутність такого рішення у вихідних рівнянь Ейнштейна не розглядається як недолік теорії.

До 1997 року достовірних вказівок на відміну космологічної постійної від нуля не було, тому вона розглядалася в загальній теорії відносності як необов'язкова величина, наявність якої залежить від естетичних уподобань автора. У будь-якому випадку її величина дозволяє нехтувати ефектами, пов'язаними з її наявністю, аж до масштабів скупчення галактик, тобто практично в будь-якій області, крім космології.

У космології, однак, наявність космологічної постійної може суттєво змінювати деякі етапи еволюції найпоширеніших космологічних моделей. Зокрема, космологічні моделі з космологічною постійною пропонувалося використовувати для пояснення деяких властивостей розподілу

Член $\Lambda$g ab можна включити в тензор енергії-імпульсу і розглядати як тензор енергії-імпульсу вакууму. Цей член інваріантний по відношенню до перетворень локальної групи Лоренца, що відповідає принципу лоренц-інваріантності вакууму квантової теорії поля. З іншого боку, $ Lambda $ g ab можна розглядати як тензор енергії-імпульсу якогось статичного космологічного скалярного поля. Зараз активно розвиваються обидва підходи.

Легенду про яблуко Ньютон написав для своєї племінниці Катерини Кондуїт, розповідаючи, як відкрив свій закон всесвітнього тяжіння. Після того як ця історія потрапила в першу опубліковану в 1728 біографію великого вченого, яблуко стало нерозривно асоціюватися з цим законом. Однак суть відкриття полягала в тому, що замкнуті еліптичні орбіти планет Сонячної системи можливі єдиному випадку- коли сила тяжіння їх до Сонця назад пропорційна квадрату відстані до него.Для пояснення еволюції Всесвіту, що спостерігається, в рамках існуючих теорій, доводиться припустити, що одні фундаментальні постійні більш постійні, ніж інші

Легенду про яблуко Ньютон написав для своєї племінниці Катерини Кондуїт, розповідаючи, як відкрив свій закон всесвітнього тяжіння. Після того як ця історія потрапила в першу опубліковану в 1728 біографію великого вченого, яблуко стало нерозривно асоціюватися з цим законом. Однак суть відкриття полягала в тому, що замкнуті еліптичні орбіти планет Сонячної системи можливі в одному випадку - коли сила тяжіння їх до Сонця обернено пропорційна квадрату відстані до нього.

У ряді фундаментальних фізичних констант – швидкість світла, постійна Планка, заряд та маса електрона – гравітаційна постійна стоїть якось особняком. Навіть історія її виміру викладена у знаменитих енциклопедіях Britannica і Larousse, не кажучи вже про «Фізичну енциклопедію», з помилками. З відповідних статей у них читач дізнається, що її чисельне значення вперше визначив у прецизійних експериментах 1797–1798 років знаменитий англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш(Henry Cavendish, 1731-1810), герцог Девонширський. Насправді Кавендіш вимірював середню щільність Землі (його дані, до речі, лише на піввідсотка відрізняються від результатів сучасних досліджень). Маючи в своєму розпорядженні інформацію про щільність Землі, ми легко може обчислити її масу, а знаючи масу, визначити гравітаційну постійну.

Інтрига полягає в тому, що в часи Кавендіша поняття гравітаційної постійної ще не існувало, і закон всесвітнього тяжіння не було прийнято записувати у звичному для нас вигляді. Нагадаємо, що сила тяжіння пропорційна добутку мас тіл, що тяжіють, і назад пропорційна квадрату відстані між цими тілами, коефіцієнтом ж пропорційності якраз і є гравітаційна постійна. Така форма запису ньютоновського закону з'являється лише в XIX столітті. А перші досліди, в яких вимірювалася саме гравітаційна стала, були виконані вже наприкінці сторіччя - 1884 року.

Як зазначає російський історикНаука Костянтин Томілін, гравітаційна постійна відрізняється від інших фундаментальних постійних ще й тим, що з нею не пов'язаний природний масштаб будь-якої фізичної величини. У той самий час швидкість світла визначає граничне значення швидкості, а постійна Планка - мінімальна зміна дії.

І лише щодо гравітаційної постійної було висловлено гіпотезу у тому, що її чисельне значення, можливо, змінюється згодом. Вперше цю ідею сформулював у 1933 році англійський астрофізик Едвард Мілн (Edward Arthur Milne, 1896-1950), а в 1937 році знаменитий англійський фізик-теоретик Поль Дірак (Paul Dirac, 1902-1984). , припустив, що гравітаційна стала зменшується з плином космологічного часу. Гіпотеза Дірака займає важливе місце в історії теоретичної фізики ХХ століття, проте жодних більш менш надійних експериментальних підтверджень її не відомо.

З гравітаційною постійною безпосередньо пов'язана так звана "космологічна постійна", яка вперше з'явилася в рівняннях загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. Виявивши, що ці рівняння описують або всесвіт, що розширюється, або стискається, Ейнштейн штучно додав до рівнянь «космологічний член», що забезпечував існування стаціонарних рішень. Його фізичний сенс зводився до існування сили, що компенсує сили всесвітнього тяжіння і виявляється лише на дуже великих масштабах. Неспроможність моделі стаціонарного Всесвіту стала для Ейнштейна очевидною після появи робіт американського астронома Едвіна Хаббла (Edwin Powell Hubble, 1889–1953) і радянського математика Олександра Фрідмана, які довели справедливість іншої моделі, згідно з якою Всесвіт розширюється в часі. У 1931 році Ейнштейн відмовився від космологічної постійної, назвавши її у приватній бесіді «найбільшою помилкою свого життя».

Історія на цьому не закінчилася. Після того, як було встановлено, що останні п'ять мільярдів років розширення Всесвіту відбувається з прискоренням, питання про існування антигравітації знову стало актуальним; разом із ним у космологію повернулася і космологічна стала. При цьому сучасні космологи пов'язують антигравітацію з присутністю у Всесвіті так званої темної енергії.

Одна з головних проблем сучасної фізики – пов'язати закони мікросвіту із законами космології. В основному вже вдається домогтися гарної відповідності, але зокрема бувають розбіжності в сотні порядків Фото: W.N. Colley та E. Turner (Princeton University), J.A. Tyson (Bell Labs, Lucent Technologies) та NASA

І гравітаційна постійна, і космологічна постійна, і темна енергія були предметом активних дискусій на нещодавній конференції в Імперському Коледжі Лондона (London Imperial College), присвяченій невирішеним проблемаму стандартній моделі космології. Одна з найбільш радикальних гіпотез була сформульована в доповіді Філіпа Мангейма (Philip Mannheim) – фахівця з фізики елементарних частинок з університету Коннектикуту у Шторсі (University of Connecticut in Storrs). Фактично Мангейм запропонував позбавити постійну гравітаційну статусу універсальної постійної. Згідно з його гіпотезою, «табличне значення» гравітаційної постійної визначено в лабораторії, що знаходиться на Землі, і ним можна користуватися лише в межах Сонячної системи. У космологічних масштабах гравітаційна стала має інше, значно менше чисельне значення, яке можна розрахувати методами фізики елементарних частинок.

Представляючи свою гіпотезу колегам, Мангейм передусім прагнув наблизити рішення дуже актуальною для космології «проблеми постійної космологічної». Суть цієї проблеми у наступному. За сучасними уявленнями, космологічна стала характеризує швидкість розширення Всесвіту. Її чисельне значення, знайдене теоретично методами квантової теорії поля, в 10-120 разів перевищує отримане зі спостережень. Теоретичне значеннякосмологічної постійної настільки велике, що з відповідної швидкості розширення Всесвіту зірки і галактики не встигли б сформуватися.

Свою гіпотезу про існування двох різних постійних гравітаційних - для сонячної системи і для міжгалактичних масштабів - Мангейм обґрунтовує наступним чином. За його словами, у спостереженнях насправді визначається не сама космологічна постійна, а деяка величина, пропорційна добутку космологічної постійної на постійну гравітаційну. Припустимо, що у міжгалактичних масштабах гравітаційна стала дуже мала, а значення космологічної постійної відповідає розрахунковому і дуже велике. І тут твір двох постійних цілком може бути малою величиною, що суперечить спостереженням. "Можливо, настав час відмовитися вважати космологічну постійну малою величиною, - каже Мангейм, - просто прийняти, що вона велика, і виходити з цього". І тут «проблема космологічної постійної» виявляється вирішеною.

Рішення, яке пропонує Мангейм, виглядає простим, але ціна, яку доведеться заплатити за нього, дуже велика. Як зазначає Зейя Мералі (Zeeya Merali) у статті "Two constants are better than one", опублікованій журналом New scientist 28 квітня 2007 року, вводячи два різні чисельні значення гравітаційної постійної, Мангейм неминуче повинен відмовитися від рівнянь загальної теорії відносності Ейнштей. Крім того, гіпотеза Мангейма робить зайвим прийняте більшістю космологів уявлення про «темну енергію», оскільки мале значення гравітаційної постійної на космологічних масштабах вже саме по собі еквівалентне припущенню про існування антигравітації.

Кейт Хорн (Keith Horne) із британського університету св. Андрія (University of St Andrew) вітає гіпотезу Мангейма, оскільки в ній використані фундаментальні принципи фізики елементарних частинок: «Вона дуже елегантна, і було б просто чудово, якби вона виявилася правильною». За словами Хорн, у цьому випадку нам вдалося б поєднати фізику елементарних частинок і теорію гравітації в одну дуже привабливу теорію.

Але з нею погоджуються далеко не всі. New Scientist наводить і думку космолога Тома Шенкса (Tom Shanks), що деякі явища, що дуже добре укладаються в стандартну модель, - наприклад, недавні виміри реліктового випромінювання, і рухи подвійних пульсарів, - навряд чи виявляться так само легко зрозумілі в теорії Мангейма.

Існування всесвіту, що циклічно колапсує і знову роздмухується з сингулярності, передбачалося знайденими Олександром Фрідманом рішеннями рівнянь ОТО. Нові модифікації цієї старої ідеї сильно від неї відрізняються: і «схлопування» відбувається не до кінця, і минуле не забувається – у кожному новому циклі космологічна постійна все менше і менше

Сам Мангейм не заперечує проблем, з якими стикається його гіпотеза, зауважуючи при цьому, що вважає їх набагато менш значущими порівняно з труднощами стандартної космологічної моделі: «Її розробляють сотні космологів, проте вона незадовільна на 120 порядків».

Слід зазначити, що Мангейм виявив кілька прихильників, підтримали його, щоб виключити гірше. До гіршого вони віднесли висунуту в 2006 році гіпотезу Пола Штейнхарда (Paul Steinhardt) з Прінстонського університету (Princeton University) і Ніла Тьюрока (Neil Turok) з Кембриджу (Cambridge University), згідно з якою Всесвіт періодично народжується і зникає, причому в кожному з циклів трильйон років) відбувається свій Великий Вибух, і при цьому в кожному циклі чисельне значення космологічної постійної виявляється менше, ніж у попередньому. Вкрай незначна величина космологічної постійної, зафіксована в спостереженнях, означає тоді, що наш Всесвіт - дуже далека ланка в дуже довгому ланцюзі світів, що народжуються і зникають.

Незважаючи на відсутність у літературі задовільної у всіх відносинах моделі компенсації космологічного члена, певний інтерес представляє розгляд її механізму в контексті уявлень про скалярне поле, ефективний потенціал якого має два мінімуми. Це поле має два вакуумні стани: одне з них, що відповідає значенню ефективного потенціалу при нульовому значенні поля, називається метастабільним станом хибного вакууму; інше, відповідне значення ефективного потенціалу при ненульовому значенні поля, називається станом істинного вакууму. При відмінної від нуля ймовірності тунелювання стану хибного вакууму через потенційний бар'єр рано чи пізно відбудеться вибух хибного вакууму з виділенням енергії певної густини і система перейде в стан з ненульовим значенням поля.

Здається неймовірним, що на «початку» вихідна космологічна постійна була «підібрана» так, щоб повністю компенсувати всі ці стрибки щільності енергії вакууму при наступних фазових переходах, причому з фантастичним ступенем точності; у всякому разі, механізм динамічної генерації космологічного члена не міг не мати глибоких фізичних причин, яких ми поки не розуміємо.
І все ж нам здається, що підходи, що ведуть до скорочення щільності вакууму з планківського значення до реального, повинні бути пов'язані з існуванням скалярного поля, що імітує вакуумне рівняння стану з негативною енергією. Або із включенням у щільність вакууму трьох складових: високоенергетичної (конденсат нейтральних бозонів), низькоенергетичної (просторова кривизна) та нульових коливань, або з моделлю світу «на брані»

Повернувшись до найпростішої моделі ефективного потенціалу скалярного поля, зауважимо, що шлях підбар'єрного переходу стану хибного вакууму пов'язується з періодом інфляції, а «скочування» його потенціалом до стану справжнього вакууму – з класичною еволюцією скалярного поля. Досягши справжнього мінімуму (справжнього вакууму), скалярне поле починає коливатися, і через взаємодію Космосу з полями інших типів коливання згасають. Цей момент відповідає закінченню інфляції і початку фридманівського режиму розширення.
Взаємодія скалярного поля з полями електронів, кварків, глюонів, лептокварків та іншими реальними та гіпотетичними полями призводить до народження звичайної матерії. З'являється гаряча плазма, і знову починається епоха статечного розширення, щоправда, зі значенням масштабного чинника, по крайнього заходу в $10^(30)$ разів більшим, ніж попередньої фридманівської епохи. Всесвіт набуває швидкості розширення, необхідної для того, щоб продовжувати його аж до сучасного часу.

Завдяки фізичним процесам, що протікає на інфляційної стадіїрозвитку Всесвіту, вона має глобальну великомасштабну структуру, обумовлену гравітаційною нестійкістю зростання спочатку малих збурень щільності. Генерація збурень щільності з вакуумних коливань скалярного поля відбувається за рахунок його «скочування» з нерівноважного стану в рівноважний наприкінці стадії інфляції Всесвіту. Розглянемо дві області простору у Всесвіті, які мають різну величинускалярного поля, що забезпечується його нульовими флуктуаціями

Спостережна астрономія та космологічні експерименти підтвердили однорідність нашого Всесвіту лише в середньому, у дуже великих масштабах (L> 200 Мпс). Зі зменшенням масштабів структура Всесвіту стає яскраво вираженою: так, у масштабах L > 100 Мпс це надскупчення і скупчення галактик, у масштабах L = 100 – 10 кпс це самі галактики, у масштабах L = 1 пс – це кульові зоряні скупчення і, нарешті, зірки та планети.
Розпад помилкового вакууму, що стався після закінчення інфляції, призвів до виділення потенційної енергії у вигляді гарячої плазми, що складалася з великої кількостіважких елементарних частинок, природа яких та закони їхньої взаємодії зараз нам невідомі. Разом з тим астрономічні спостереження показують майже повну відсутність у нашу епоху у Всесвіті антиречовини, в протилежному випадку анігіляція речовини та антиречовини (що супроводжується виділенням величезної кількості енергії) була б помічена. Іншими словами, існування Всесвіту і нас у ній зобов'язане майже непомітному переважання в ньому частинок над античастинками на ранній стадії еволюції.

У сценарії хаотичного роздмухування Всесвіту області класичного простору-часу постійно народжуються з просторово-часової піни і знову перетворюються на неї. Через це народження сингулярного простору внутрішньо властиве цьому сценарію, і замість трагізму народження світу з сингулярності, до якої нічого не існувало, ми маємо справу з нескінченним процесом взаємоперетворень фаз (у яких малі та великі квантові флуктуації метрики).

Космологічна революція наших днів призвела до абсолютно нового розуміння того, що являє собою сучасна епоха еволюції Всесвіту. Як виявилося, в ній панує космічний вакуум з його антигравітацією, що змушує галактики з прискоренням розбігатися один від одного. Потік розширення своїм походженням, на думку багатьох космологів, завдячує первинному вакууму Всесвіту, щільність якого спочатку була виключно високою (на багато порядків, що перевищує виміряну зараз). Еволюціонуючи в часі, вакуум породжував «звичайну» речовину і невакуумні форми матерії і за дуже короткий час (долі секунди) існування світу залишив після себе багатокомпонентне космічне середовище, що містить взаємоузгоджені один з одним і симетричні по відношенню один до одного вакуум і невакуумні форми енергії (темна речовина, речовина зірок і галактик, що світиться, ультрарелятивістське середовище).

Вимірювання швидкості видалення галактик на сьогоднішній день завдання вирішуване - достатньо виміряти червоне зміщення у спектрі випромінювання їх зірок. Набагато важче виміряти відстань до цих галактик. Для цього астрономам потрібна т.з. стандартна свічка - об'єкт із свідомо відомою вихідною світністю. Порівнявши енергію випромінювання, що доходить до нас, з вихідною енергією, що випускається таким об'єктом в простір по всіх напрямках і розсіюється в ньому, ми можемо оцінити відстань до нього.
У 1990-і роки астрофізикам вдалося нарешті знайти відповідну стандартну свічку - на цю роль ідеально підійшли наднові типу Ia (див. Космічний трикутник). Використання цього методу дало, м'яко кажучи, спантеличують результати. Розширення Всесвіту не просто не сповільнюється з часом – воно пришвидшується! Зважаючи на все, є якась невідома нам сила, яка буквально розтягує Всесвіт на шматки, - якась, по суті, антигравітація, причому настільки сильна, що вона перемагає силу тяжіння, і під її впливом галактики розлітаються з швидкістю, що невпинно зростає. І, варто астрофізикам усвідомити цей факт, як їм довелося терміново реабілітувати опальну космологічну постійну Λ. Вся космологічна теорія була ще раз поставлена ​​з ніг на голову, і тепер фізики-теоретики б'ються над тим, як повернути "найгрубішу помилку" Ейнштейна на законне місце у своїх теоріях. Інше питання, чи космологічна постійна повертається в теоретичну фізику.

Постулюючи загальну теорію відносності, Альберт Ейнштейн був упевнений у стаціонарності Всесвіту, тобто у тому, що становище галактик відносно один одного практично не змінюється. Однак він не міг не помітити, що через дію закону всесвітнього тяжіння Ньютона Всесвіт повинен стискатися, що суперечить здоровому глузду. Тому, щоб врівноважити сили гравітації, що ведуть Всесвіт до неминучого і раптового колапсу, Ейнштейну довелося ввести в рівняння загальної теорії відносності додатковий доданок - космологічний член, свого роду антигравітаційну поправку на незрозумілу силу відштовхування, що буквально розтягує. Ця сила, згідно з Ейнштейном, зростає з відстанню з коефіцієнтом пропорційності, що дорівнює так званій космологічній постійній, яку вчений позначив грецькою великою літерою Λ (лямбда).

Протиріччя, здавалося б, критерію краси теорії, ця добавка виявилася неминучою з погляду збереження її несуперечливості. Однак, після відкриття явища розширення Всесвіту (див. Закон Хаббла), Ейнштейн зрозумів, що потреба в космологічній постійній відпала. Ейнштейн відразу виключив космологічний член зі своїх рівнянь і згодом неодноразово називав його первісну появу в них найгрубішою з допущених ним за все своє життя помилок.
Після цього майже до кінця ХХ століття космологічна стала впала в немилість у теоретичній фізиці. Рідкісні сміливці з числа фізиків-теоретиків, які намагалися хоча б заїкнутися про її повернення в модель пристрою Всесвіту для пояснення тієї чи іншої нерозв'язної головоломки, негайно зазнавали жорстокого висміювання з боку колег. А потім, наприкінці 1990-х років, історія фізики прийняла несподіваний поворот, і Λ гордо повернулася на сцену і опинилася в центрі загальної уваги.

Теорія Великого вибуху неминуче має на увазі питання: і чим все це уявлення завершиться? Або галактики, що розбігаються, в якийсь момент повернутий назад під впливом сил гравітаційного тяжіння, і Всесвіт стиснеться назад в точку в момент того, що іноді називають великий крах, за аналогією з великим вибухом; або Всесвіт так і розширюватиметься до нескінченності у темряву простору, доки не звернеться в розсіяний холодний порох внаслідок теплової смерті. Здавалося б, третього не дано. Як правовірні християни не бачать для себе після смерті іншої альтернативи, крім попадання в рай чи пекло, всі космологи будували здогади виключно на предмет того, який із двох доль призначений Всесвіту.
Одним із методів отримання відповіді на це питання стало вимірювання швидкості видалення галактик, що віддаляються від Землі на найбільші відстані - у мільярди світлових років. Оскільки світло від них йшло до Землі мільярди років, за доплерівським зміщенням у їх спектрах ми можемо обчислити, з якою швидкістю вони віддалялися мільярди років тому. Порівнявши цю швидкість з сучасною швидкістюрозбігання найближчих галактик, ми дізнаємося, наскільки сили гравітаційного тяжіння встигли сповільнити розширення Всесвіту, а там, можна сподіватися, і обчислимо її долю.

І все було б чудово, якби не одна вкрай прикра обставина – запропонована Ейнштейном система рівнянь не мала рішення! Точніше кажучи, вона допускала рішення, яке Ейнштейн (а за ним – вся наукова спільнота) вважав недоречним. У публікації "Про космологічну проблему" він писав: "Запереченням проти такого рішення є те, що доводиться вводити негативний тиск, для чого немає жодних фізичних підстав"

Більш розумним автор теорії відносності вважав те, що згодом сам назвав своєю “найбільшою помилкою (greatest blunder)”. Замість негативного тиску, про який ми ще поговоримо, він поклав його нульовим, але запровадив певний формальний параметр – так звану “космологічну постійну” Λ. Його міркування щодо необхідності такого кроку в тій же книзі звучать так

“Речовина складається з електрично заряджених частинок. У теорії Максвелла вони можуть бути зрозумілі як вільні від особливостей електромагнітні поля. Щоб не суперечити фактам, у вираз енергії необхідно ввести додаткові члени, які не містяться в теорії Максвелла, які забезпечили б стійкість електрично заряджених частинок, незважаючи на взаємне відштовхування складових їх однойменно заряджених частин. Саме у зв'язку з цим Пуанкаре припустив, що всередині цих частинок є тиск, який компенсує електростатичне відштовхування. Не можна, однак, стверджувати, що цей тиск зникає поза частинками. Ми прийдемо до згоди з цими уявленнями, якщо до нашого феноменологічного розгляду додамо член, який описує тиск. Цей тиск, однак, не слід змішувати з гідродинамічним тиском, оскільки він служить лише енергетичним виразом динамічних зв'язків усередині речовини.”

Зауважимо, що Ейнштейн тут цілком ясно свідчить, що “ефективне” тиск, що з постійної Λ, має бути негативним і компенсувати “взаємне відштовхування елементів”, тобто. сприяти їхньому взаємному тяжінню. Я хотів би тут порівняти слова Ейнштейна з цитатою зі статті [Чернін, 2008], де йдеться: щоб надати статичності

"Своєї космологічної моделі, Ейнштейну довелося вдатися до додаткового припущення про існування в природі загального відштовхування, здатного компенсувати і врівноважити всесвітнє тяжіння у Всесвіті як в цілому."

Отже, Ейнштейн так чи інакше використовував у своїй моделі негативний тиск, хоча б у вигляді його "замінника" - постійної космологічної Λ. Що ж насправді означає негативний тиск, якими є його фізичні прояви? Ось що йдеться в класичних підручниках [Ландау та ін, 1965, 1976]:

“У нормальних умовах тиск тіл позитивно, тобто. спрямовано так, ніби тіло прагнуло розширитися. Це, проте, необов'язково, і тіло може бути також і в станах з негативними тисками: у таких станах тіло як би “розтягнуте” і тому прагне стиснутися. Наприклад, негативний тиск може мати перегріту рідину; така рідина діє на поверхню, що обмежує її, з силою, спрямованою всередину об'єму рідини.”<.blockquote>

А тепер я закликаю читача подумки оточити деякий (кінцевий) обсяг простору у Всесвіті зовнішнім кордоном, “забути” про матерію поза цим обсягом (наприклад, якщо вона далеко-далеко за межами зовнішнього кордону, як це має, наприклад, місце для Сонячної системи ) і подивитися на поведінку матерії, що покоїться всередині цього обсягу. Ви не повірите і, можливо, будете сміятися, але матерія прагнутиме стиснутися (тобто сила, що діє на неї, буде спрямована саме всередину обсягу), і причина цього відома кожному школяреві – це всесвітнє тяжіння. Таким чином, матерія, всупереч неймовірній помилці Ейнштейна, явним і безперечно демонструє негативний тиск як свій глобальний і обов'язковий атрибут, який, до речі, ніяк не пов'язаний з компенсацією електричних сил взаємодії частинок в атомах.

Просто дивно, як легко послідовники Ейнштейна прийняли його тезу на віру. Наприклад, автор [Толмен, 1974] ґрунтовно розбирає внесок динамічного тиску (викликаний наявністю швидкостей у зірок, галактик, туманностей), але без тіні сумніву не допускає можливості негативного статичного тиску матерії.

Це повертає нас до питання доцільності введення космологічної постійної. Наведена мною аргументація, на мою думку, неминуче призводить до необхідності визнання (об'єктивно існуючого) негативного тиску моделі Ейнштейна, чисельне значення якого, зрозуміло, точно збігається з чисельним значенням космологічної постійної. Певне фізичне обґрунтування негативності тиску матерії у Всесвіті буде запропоновано нижче, наприкінці статті.

Як відомо, 1922 року А.А. Фрідман запропонував нестаціонарне узагальнення моделі Всесвіту Ейнштейна. Він не обговорював сенс і доцільність постійної космологічної, але показав, що в нестаціонарній моделі рішення існує, в тому числі, якщо цю постійну покласти рівною нулю. Ця звістка (після етапу початкової недовіри) дуже втішила Ейнштейна, який з полегшенням "відкликав" свою ідею і затаврував її, як помилкову.

Тим часом, ранній і сучасний Всесвіт – це дві зовсім різні його конфігурації, в яких дія фізичних законівтакож дуже різниться. Достатньо сказати, що від поточної кривизни Всесвіту безпосередньо залежать компоненти фундаментального метричного тензора. Тому закони руху в ранньому (з екстремальною кривизною) і сучасному (майже плоскому) Всесвіті радикально різні, а значить – час не однорідний. Власне кажучи, той самий висновок випливає і з загальноприйнятої моделі з космологічною постійною: рішення залежить від часу, адже крім величин, що описують це рішення, ніяких зовнішніх сутностей модель не передбачає.

Чудовий варіант, альтернативний закону збереження енергії Всесвіту, дається рішенням, у якому вік Всесвіту завжди пропорційний її радіусу (емпірично знайденим коефіцієнтом пропорційності служить швидкість світла у вакуумі). Він фактично визначає час як універсальний феномен, пов'язані з розширенням (чи будь-яким іншим типом еволюції) Всесвіту. Більше того, саме це рішення дає цілу серію наслідків, які чудово узгоджуються з наявними астрофізичними спостереженнями і в той же час не вимагають жодної чисельної “підгонки” моделі із зайвими вільними параметрами. Крім усього іншого, це рішення дуже природно "стикується" (в логічному сенсі) з відомим рішенням Шварцшильда для матеріальної однорідної кулі та його розвитком для колапсуючого гравітаційного об'єкта кінцевих розмірів.

У загальноприйнятій космологічній моделі відома проблема "горизонту", пов'язана з поясненням глобальної просторової однорідності Всесвіту (горизонт видаляється швидше, ніж розширюється Всесвіт). Однорідність зазвичай пояснюється з допомогою гіпотези існування фази інфляції, тобто. надшвидкого розширення Всесвіту на ранніх стадіяхїї існування.

Цікавим питаннямє питання «чому енергія, запасена у вакуумі, не гравітує?», яке було поставлено ще S.Weinberg і розглядається активно досі. Йдеться про введення Лоренц інваріантною змінною для вакууму (3 forms для вакууму вже вводилися Хоукінгом), яка дозволяє обговорювати термодинамічні властивості вакууму, такі як стабільність, стисливість, термодинамічний відгук на обурення. У квантовому вакуумі (а такий момент був при народженні Всесвіту) Лоренц інваріантність також мається на увазі. Взагалі кажучи, вакуум – багатокомпонентна система (це ідея А.Д.Сахарова) та проблема – як «занулити» цю систему. Можливо, з цим пов'язана ідея самоорганізації вакууму, яка висловлювалася нами в роботах. Легко здогадатися, що в низькоенергетичній частині основний внесок у вакуумну енергію йде від макроскопічних квантових бозонних полів і від «дозволених» ферміонних полів. Ці вклади квадратично розходяться при наближенні до шкали Планків, утворюючи величезну вакуумну енергію. Чи це симетрійні міркування, тоді як їх застосувати до вакууму? Ймовірно, необхідно врахувати більш акуратно мікроскопічні ступені свободи та гравітацію і крім того, для квантового вакууму його енергія – пропорційна обсягу (хоча в ранньому Всесвіті квантовий вакуум не міг бути рівноважним!). Зробимо ще одне важливе відволікання, пов'язане з новим визначенням вакууму.

Про проблему "площинності" Всесвіту. Експериментальні результати начебто говорять про те, що повна середня щільність у Всесвіті практично дорівнює значенню критичної щільності, з чого (відповідно до моделі Фрідмана) робиться висновок про те, що в справжню епоху Всесвіт є плоским. Тим часом у рамках запропонованого підходу висновок інший: метрика Всесвіту весь час має позитивну кривизну, але її щільність незмінно дорівнює подвоєному критичному значенню. Така розбіжність із даними астрофізичних спостережень може свідчити

У 1917 році Альберт Ейнштейн "вперше застосував свою щойно створену загальну теорію відносності до завдання про світ як загалом". Він розглянув Всесвіт як замкнене на себе середовище, заповнене однорідною (у великих масштабах) матерією з деякою ненульовою середньою щільністю, і сформулював відповідну систему рівнянь. Роль просторових граничних умов зіграла гіпотеза про замкнутість Всесвіту він (тобто. відсутність в неї будь-яких зовнішніх кордонів). Що ж до можливості еволюції Всесвіту у часі, то Ейнштейн тоді її розглядав, оскільки до відкриття Хаббла залишалося ще багато часу, і концепція статичності здавалася найбільш природною.

І все було б чудово, якби не одна вкрай прикра обставина – запропонована Ейнштейном система рівнянь не мала рішення! Точніше кажучи, вона допускала рішення, яке Ейнштейн (а за ним – вся наукова спільнота) вважав недоречним. У публікації “Про космологічну проблему” [Ейнштейн, 1953] він писав: “Запереченням такого рішення і те, що доводиться запроваджувати негативний тиск, навіщо немає жодних фізичних підстав”.

Більш розумним автор теорії відносності вважав те, що згодом сам назвав своєю “найбільшою помилкою (greatest blunder)”. Замість негативного тиску, про який ми ще поговоримо, він поклав його нульовим, але запровадив певний формальний параметр – так звану “космологічну постійну” Λ.

Введення в науковий побут уявлення про існування в природі темної енергії - слабко взаємодіючої фізичної субстанції, що пронизує весь простір видимого Всесвіту, - стало сенсацією номер один у фізиці на рубежі XX XXI ст. і стало несподіванкою для більшості дослідників, особливо працюючих на стику фізики елементарних частинок та космології.

Справа в тому, що відомі енергетичні масштаби, характерні для фундаментальних взаємодій, становлять величини порядку 1 ГеВ (сильні взаємодії), 100 ГеВ (електрослабкі взаємодії) і $10^(19)$ ГеВ (гравітаційні взаємодії), і не було жодних підстав думати, що у природі є ще одне, набагато менший масштаб енергій. Однак виявилося, що темна енергія характеризується масштабом $E_v\sim 10^(-3)$ еВ, що визначається тим, що щільність темної енергії дорівнює $rho_v=E_v^4$.

Крім того, в межах одного порядку величини в сучасному Всесвіті є наближена рівність $rho_v\simrho_Dsimrho_B$ (1) де $rho_D$ і $rho_B$ - щільності маси темної матерії і баріонів (протонів, ядер ) відповідно.

Для цієї рівності знову-таки не було (і немає) жодних скільки-небудь очевидних апріорних підстав. Підкреслимо, що наближене співвідношення $rho_Dapproxrho_B$ справедливо в кожен момент космологічної еволюції після утворення баріонної асиметрії і генерації темної матерії, оскільки $rho_D$ і $rho_B$ однаковим чином - і досить швидко - зменшуються при розширенні Всесвіту. З іншого боку, pv дуже слабо залежить або взагалі не залежить від часу, так що перша з рівностей справедлива саме в сучасну епоху, після того, як виникла структура у Всесвіті і з'явилися зірки. Звичайно, важко змиритися з тим, що співвідношення $ rho_v sim rho_D sim rho_B $ носить характер випадкового збігу.

Стандартна модель частинок та їх взаємодій також є добре встановленою моделлю, яка здатна врахувати всі експериментальні фізичні дані. У цій моделі є вклади у космологічну постійну. Це обумовлено тим, що вона заснована на квантових полях, які у вакуумі відчувають флуктуації навколо своїх мінімальних значеньщо дає внесок у вакуумну енергію. Оскільки ми вимірюємо лише різниці енергії, ми можемо відняти вклади цих типів, і ми повинні дивувати виконання таких операцій, як перенормування. Однак ця процедура стає неможливою у присутності гравітації для абсолютних значень енергії матерії. Тоді слід виводити власне значення космологічної константи із флуктуацій нульових коливань вакууму.

Протягом багатьох років відомо, що отриманий внесок на багато порядків амплітуди перевищує значення, що спостерігається. Вирішення цієї проблеми є викликом, що стоїть перед фізикою. Ця проблема ґрунтується на припущенні, що вакуумні флуктуації мають ті ж гравітаційні властивості, як і всі інші форми матерії. Оскільки немає апріорних аргументів прийняти чи відкинути це припущення, бажано перевірити його експериментально. Така спроба може бути фантастичною, але в цій статті ми побачимо, що це може бути можливим.

Часто стверджується, що експериментальне обгрунтування наявності електромагнітних флуктуацій вакууму пов'язані з перевіркою ефекту Казимира в лабораторії . Дійсно, сила Казимира може бути виведена з розгляду різниці вкладів в енергію вакууму у двох фізичних ситуаціях. Звідси випливає, що ми вимірюємо не абсолютне значення енергії вакууму, а різниці енергій. Навіть якщо так, все ж таки цікаво вивчити гравітаційні властивості енергії Казимира. Це було зроблено теоретично, було зроблено висновок, що енергія Казимира гравітує відповідно до принципу еквівалентності.

Вимірювання та теоретичне передбачення лембовського зсуву (LS) енергії історично розглянуто в квантовій теорії поля. З урахуванням сили Казимира енергія LS може розглядатися як тест існування вакуумних флуктуацій електромагнітного поля. Можливо, це не зовсім ясно з оригінального твору Бете, але очевидно випливає з обчислень Велтона. Він вивів формулу для LS, що відповідає головному вкладу – див. нижче співвідношення (3) – що враховує ефект флуктуацій електромагнітного поля для електрона. Можливо, це ще ясніше показано у праці, яка виходила з припущень Фейнмана. Висновок LS заснований на аналізі зміни енергії нульових коливань поля в ящику, що містить атом, у порівнянні з тим самим ящиком без атомів, при цьому знову виходить точно звичайна формула для LS. цей висновок має вражаючу схожість зі звичайним виведенням енергії нульових коливань для ефекту Казимира.

Існують підручники з квантової теорії поля, де дається огляд усіх цих підходів. У підручнику там ми можемо знайти аналіз із спеціальним наголосом на зв'язку із вакуумними флуктуаціями. Точка зору, за якою ефект Казимира є однозначним свідченням на користь вакуумних флуктуацій, обговорювалася Яффе. Справді, він обчислив ефект без зв'язку з вакуумом. Хоча нам не відомо про подібний розрахунок для LS, розумна позиція повинна полягати в наступному. Навіть якщо LS може бути обчислений як наслідок вакуумних флуктуацій, то все ж таки це слід розглядати лише як гіпотезу. Прийнявши цю гіпотезу, очевидно, є сенс перевірити гравітаційні властивості енергії LS. У наступному розділі ми показуємо, як перевірити справедливість принципу еквівалентності енергії LS.

Крім дипольної складової, анізотропія характеризується також моментами вищих порядків. Величини цих моментів залежать від того, кінцевою чи ні є реальний Всесвіт. У запропонованій мною моделі Всесвіт кінцевий. Тим часом [Чернін, 2008] дані, отримані супутником WMAP щодо анізотропії реліктового випромінювання “перебувають, як з'ясувалося, у певній суперечності з теоретичними очікуваннями, заснованими на припущенні про те, що обсяг тривимірного супутнього простору є нескінченним. Саме, виміряний квадруполь виявився в 5 – 7 разів слабшим за очікуваний для нескінченного простору; октуполь – на 30% слабше …”. Крім того, і на спектрі температури, і на спектрі крос-кореляції між температурою та E-модою поляризації реліктового випромінювання є пік для моменту приблизно рівного 4. Стандартні моделі не можуть дати задовільного пояснення цьому явищу. У той же час запропонована мною модель передбачає наявність саме такого піку і пояснює його існуванням найстаріших реліктових фотонів, що здійснили повну "кругосвітнє" подорож уздовж Всесвіту, що розширюється і встигли пройти додаткову кутову відстань порядку 40 °.

Зупинимося на математичному формалізмі фізичних теорій, що будується на вихідних постулатах квантової механіки. Насамперед зазначимо, що вихідні постулати квантової механіки не укладаються в рамки звичайного здорового глузду і навіть не мають фактично ніякого розумного пояснення. Вони вводяться в теорію на основі досвіду як деякі спеціальні властивості мікросвіту, наприклад, хвильові властивостімікрочастинок речовини, імовірнісний характер їх руху і т.д.

Слід зазначити, що протягом останніх десятилітьфізика, що є головною наукоюпро природу, набувала все більш формального характеру. Теорії фундаментальної фізики все більшою мірою стали нагадувати різні розділи математики. Це відноситься, перш за все, до груп симетрії SU(2), SU(3) і т.д., калібрувальних полів, що використовуються при класифікації елементарних частинок і описі фундаментальних взаємодій. Так, деякі квантові числа, що характеризують елементарні частинки, взагалі не мають жодного. фізичного сенсуі вводяться абсолютно формально, наприклад, «дивина», «чарівність», «принадність» тощо.

Наголосимо, що точкових частинок у природі взагалі не існує. Доводи фізиків-теоретиків, що відстоюють точкову природу фундаментальних частинок, зокрема електронів, ґрунтуються на результатах експериментів, які не виявляють їхньої структури. В результаті поняття точкового електрона ближче до математики і чуже фізиці. Таке поняття викликає очевидні труднощі в теорії, оскільки енергія такого об'єкта має бути нескінченною

Аналіз будови елементарних частинок показує, що поняття кварку, що широко використовується в фундаментальній фізиці, може розглядатися як досить умовне. З огляду на це у фізиці виникла велика кількість сортів кварків, що характеризуються різними квантовими характеристиками. Було встановлено, що існують коливання досить низької частоти через різницю мас нейтрону і протона, що забезпечують ефективний обмін енергією цих частинок з електроном. Дві з половиною частоти електрона точно відповідають зазначеній різниці мас. Наслідком цієї резонансної взаємодії є стійкість та поширеність електронів у природі.

Зазначена вище помилкова тенденція ототожнення математичного апарату та методик розрахунку з фізичною сутністю гальмує пошуки інших, відмінних від загальноприйнятих точок зору, і може істотно відсунути за часом настання нового етапу у розумінні закономірностей мікросвіту. Цікаво відзначити, що наскільки важко було на початку минулого століття сприйняти «абсурдні» уявлення, що входили в науку, настільки ж важко тепер поглянути на них критично і перейти до дослідження причин цього «абсурду».

Розглянемо стрижневу теорію сучасної фізики – квантову електродинаміку. Слід зазначити, що квантова електродинаміка експериментально перевірена з великою точністю. Однак це свідчить лише про те, що в цій теорії використовується правильне математичне розкладання реальних процесів на деякі складові. Можна з дуже великою точністю перевірити адекватність розкладання реальної залежностів ряд Фур'є, проте з цього не випливає, що природа діє або влаштована відповідно до придуманого нами математичного прийому. Слід зазначити, що квантова електродинаміка має всі ознаки такого математичного прийому. Діаграми Фейнмана фактично є елементами розкладання на базові складові, включаючи найнеймовірніші, але виправдані з погляду математичного формалізму варіанти, зокрема випромінювання та подальше поглинання фотона електроном, або варіанти з негативним напрямком часу

Зазначимо, що подальше просування шляхом математичного формалізму в аналізі явищ мікросвіту стає все більш скрутним. Так, Р. Фейнман зазначав, що об'єднання в єдину квантову теорію квантової електродинаміки та теорії слабких взаємодій С. Вайнберга, Ш. Глешоу та А. Салама через W-бозони пошито «білими нитками». Цілком очевидно, що фотон та 3 W-бозони якимось чином пов'язані, проте на сучасному рівні знань цей зв'язок явно не видно; все ще заважають «шви» в фізичних теоріях. Аналогічно справи і в глюонної теорії, яка формально не сильно відрізняється від квантової електродинаміки.

Р. Фейнман відзначає, що однією з причин такого стану справ є той факт, що константа зв'язку для глюонів g значно перевершує константу зв'язку для електронів. Далі Р. Фейнман зазначає, що не існує теорії, яка адекватно пояснює величини мас часток, що спостерігаються − m. Аналогічна ситуація і з константою зв'язку фотона та електрона, що виражається через постійну тонку структуру. Таким чином, елементарні стани природи та їх характеристики, за якими квантової електродинамікита інших теоріях здійснюються розкладання та аналіз фізичних явищ, є проблемою, яка потребує окремого рішення. У зв'язку з цим постає питання: чи можливе вирішення цієї проблеми в рамках самої квантової теорії? Відповідь на це запитання наступна: квантова механіка та квантова електродинаміка оперують із заданими на основі експериментів характеристиками об'єктів, і було б нелогічно очікувати, що вони можуть пізнати самі себе. Спроби такого роду дають або безглузді результати як нескінченності, або призводять до необхідності штучних обмежень і перенормування . Поняття точкового електрона та інших істинно елементарних частинок, що виникає при цьому, не витримує жодної критики і піддається лише математичному визначенню, що не має фізичного сенсу.

Мабуть, щільність - це те, що найкраще відомо про цей компонент космічного середовища. Темна речовина не випромінює ні світла, ні інших електромагнітних хвильі взагалі практично не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. У нашій Галактиці темної речовини приблизно в 10 разів більше, ніж речовини зірок, що світиться. Воно утворює велику невидиму корону, або гало, навколо зіркового диска Чумацького Шляху. Подібні чорні гало є, мабуть, у всіх досить потужних ізольованих галактик. Темна речовина міститься також у групах галактик та у найбільших космічних системах- скупчення і надскоплення галактик. Як і в нашій Галактиці, темна речовина становить до 90%, а іноді й більше повної маси всіх цих систем. Воно проявляється тільки завдяки створюваному ним тяжінню, і саме за своїм гравітаційного ефектувоно і було вперше виявлено (точніше, запідозрено) ще в 1930-і роки Ф. Цвіккі, який вивчав кінематику та динаміку багатого скупчення галактик у сузір'ї Кома (або Волосся Вероніки). Галактики в цьому скупченні рухаються зі швидкостями близько тисячі кілометрів в секунду, і при таких швидкостях утримати їх в обсязі скупчення, що спостерігається можна лише за умови, що повна маса скупчення разів у десять більше сумарної маси складових його галактик.

Зауважу про площину Всесвіту. Зсередини Всесвіту жодної кривизни, навіть дуже нелінійної, простору помітити неможливо, оскільки пропорційно деформуються "лінійки" та еталони. ОТО ж – погляд на наш світ саме з четвертого, а то й п'ятого виміру. Тому в ній немає ні гравітації, ні інших полів, які при проекції на вищі виміри перетворюються на нематеріальні, з відсутністю деяких вимірів, геодезичні та світові лінії. Тобто це математика із метавсесвіту, вірна... але матеріально ненаповнена. Геометрія.

Для виведення формул можна скористатися оточенням "$$" і \TeX розміткою.

Наука виділяє чотири основні шляхи, на яких Всесвіт може зустріти свою долю:

1. Велике Замерзання.
2. Великий Хрускіт.
3. Велика Зміна.
4. Великий розрив.

Перший натяк на можливий кінець Всесвіту приходить до нас із термодинаміки, науки про тепло. Термодинаміка — це такий проповідник фізики з дикими очима, який тримає картонний транспарант із простим попередженням: «Теплова смерть прийде».

Незважаючи на свою назву, теплова смертьВсесвіту не є вогненним пеклом. Навпаки, це смерть усіх рівнів тепла. Звучить не дуже страшно, але теплова смерть — це гірше, ніж запектися до скоринки. Це тому, що майже все у повсякденному житті потребує певних різниць температур, прямо чи опосередковано. Коли Всесвіт досягне теплової смерті, скрізь буде одна температура. Це означає, що нічого цікавого більше ніколи не станеться. Всі зірки помруть, вся матерія розпадеться, все перетвориться на рідкісний бульйон із частинок та випромінювання. Навіть енергія цього бульйону буде зменшуватися з часом в результаті розширення Всесвіту, залишаючи все з температурою навряд чи вищим за абсолютного нуля.

У цьому процесі Великого Замерзання Всесвіт стане рівномірно холодним, мертвим і порожнім.

Після розробки теорії термодинаміки на початку 1800-х років теплова смерть виглядає як єдиним можливим шляхом кінця Всесвіту. Але через 100 років загальна теорія відносності Ейнштейна проголосила, що у Всесвіту може бути набагато цікавіша доля.

Загальна теорія відносності говорить, що матерія та енергія викривляють простір та час. Це відношення між простором-часом і матерією-енергією між сценою і акторами на ній поширюється на весь Всесвіт. Все, що є у Всесвіті, на думку Ейнштейна, визначає кінцеву долю самого Всесвіту.

Теорія передбачає, що Всесвіт загалом має або розширюватися, або стискатися. Вона може залишатися у колишньому розмірі. Ейнштейн зрозумів це у 1917 році і так не хотів це визнавати, що відмовився від власної теорії.

Тоді в 1929 році американський астроном Едвін Хаббл виявив незаперечні докази того, що Всесвіт розширюється. Ейнштейн змінив свою думку, назвавши свою попередню наполегливість щодо статичного Всесвіту «найбільшою помилкою» своєї кар'єри.

Якщо Всесвіт розширюється, колись він мав бути меншим, ніж зараз. Розуміння цього призвело до появи теорії Великого Вибуху: ідеї про те, що Всесвіт почався з неймовірно малої точки і швидко розширився. Ми можемо побачити це по «посвічінню» Великого Вибуху - як космічного мікрохвильового фону - постійного потоку радіохвиль, що йдуть з усіх напрямків у небі.

Виходить, доля Всесвіту залежить від дуже простого питання: чи буде Всесвіт розширюватись далі і як швидко?

Для Всесвіту, що містить звичайну «начинку» — матерію та світло, відповідь на запитання залежить від кількості цієї начинки. Більше начинки — це більше гравітації, яка стягує все назад і сповільнює розширення. Поки кількість начинки не перевищує критичний поріг, Всесвіт буде розширюватися вічно і зрештою помре тепловою смертю.

Але якщо начинки буде занадто багато, розширення Всесвіту сповільниться та зупиниться. Тоді Всесвіт почне стискатися. Всесвіт, що скорочується, ставатиме все менше і менше, щільніше і гарячіше, поки все не закінчиться в барвистому компактному пеклі, протилежному Великому Вибуху і відомому як Великий Стиснення.

Протягом більшої частини 20 століття астрофізики були впевнені, який із цих сценаріїв вплине. Велике Замерзання чи Великий Стиснення? Лід чи вогонь? Вони намагалися провести космічний перепис, підрахувавши кількість начинки у нашому Всесвіті. Виявилося, що ми до дивного перебуваємо до критичного порога, і наша доля залишається під питанням.

Наприкінці 20 століття все змінилося. У 1998 році дві суперники групи астрофізиків зробили неймовірну заяву: розширення всесвіту прискорюється.

Звичайна матерія та енергія не могли б вплинути на Всесвіт таким чином. Це стало першим свідченням існування нового фундаментального виду енергії, «темної енергії», поведінка якої є абсолютно загадковою для нас.

Темна енергія розштовхує Всесвіт убік. Ми поки не розуміємо, що це таке, але близько 70% енергії Всесвіту припадає на темну енергію, і це число зростає з кожним днем. Існування темної енергії означає, що кількість начинки у Всесвіті не визначає її кінцевої долі. Космосом управляє темна енергія, вона прискорює розширення Всесвіту. Отже, сценарій Великого Стиснення малоймовірний.
Але це не означає, що і велике замерзання неминуче. Є й інші можливі наслідки.

Один із них стався не в процесі вивчення космосу, а зі світу субатомних частинок. Це, мабуть, найбільш дивна з можливих доль Всесвіту: щось фантастичне і ймовірне.

У класичному науково-фантастичному романі Курта Воннегута «Колиска для кішки», «лід-дев'ять» є новою формою водяного льоду з цікавими властивостями: він утворюється при температурі 46 градусів, а не 0. Якщо кристал льоду-дев'ять впустити в склянку з водою , вода навколо кристала набуде його форми, так як його енергія нижче, ніж у рідкої води. Нові кристали льоду-дев'ять будуть робити те ж саме з водою навколо себе, і миттєво ланцюгова реакція перетворить усю воду в склянці — або в океанах Землі — на твердий лід-дев'ять.

Те саме може статися в реальному житті з нормальним льодом і нормальною водою. Якщо ви наберете в дуже чисту склянку дуже чистої води і охолодите її нижче нуля градусів, вода стане переохолодженою: вона залишатиметься рідкою нижче за природну точку замерзання. У воді немає жодних домішок, а в склянці немає нерівностей, щоб почала утворюватися крига. Але якщо ви впустите кристал льоду у воду, вода швидко замерзне, як лід-дев'ять.

Крига-дев'ять і переохолоджена вода можуть здатися мало пов'язаними з долею Всесвіту. Але щось схоже відбувається із самим простором. Квантова фізика свідчить, що навіть в абсолютному вакуумі є невелика кількість енергії. Але тоді має існувати інший тип вакууму, що містить менше енергії. Якщо це так, тоді весь Всесвіт схожий на склянку з переохолодженою водою. І залишатиметься такою, поки не з'явиться «міхур» вакууму з низькою енергією.

На щастя, ми не знаємо таких бульбашок. На жаль, квантова фізика стверджує, що якщо низькоенергетичний вакуум можливий, міхур з таким вакуумом неминуче з'явиться десь у Всесвіті. Коли це станеться, то подібно до історії з льодом-дев'ять новий вакуум «перетворює» старий вакуум навколо себе. Бульбашка зростатиме зі швидкістю світла, і ми ніколи не побачимо його наближення. Усередині міхура все буде зовсім іншим та явно не гостинним. Властивості фундаментальних частинок на кшталт електронів і кварків можуть бути зовсім іншими, що переписують правила хімії і, можливо, перешкоджають утворенню атомів. Люди, планети і навіть самі зірки можуть бути знищені в процесі цієї Великої Зміни. У роботі 1980 року фізики Сідні Коулман та Франк де Люччія назвали його «глобальною екологічною катастрофою».

Після Великої Зміни і темна енергія поводитиметься по-іншому. Замість того, щоб підштовхувати розширення Всесвіту, темна енергія може раптово згорнути Всесвіт сам у себе, змусивши його колапсувати у Великому Стисненні.
Є і четверта можливість, і знову чорна енергія займає центральне місце. Ця ідея дуже спірна та неймовірна, але не варто скидати її з рахунків. Темна енергія може бути набагато потужніша, ніж ми думаємо, і сама по собі привести Всесвіт до кінця без жодних Великих Змін, Замерзань та Стиснення.

Темна енергія має своєрідну властивість. Коли Всесвіт розширюється, його щільність залишається постійною. Це означає, що з часом вона розростається, щоб йти в ногу зі збільшенням обсягу Всесвіту. Це незвично, хоч і не порушує закони фізики.

Проте все може бути набагато дивнішим. Що, якщо густина темної енергії збільшується в міру розширення Всесвіту? Точніше, якщо кількість темної енергії у Всесвіті збільшується швидше, ніж розширюється сам Всесвіт?

Цю ідею висунув Роберт Колдуелл із Дартмутського коледжу в Ганновері, Нью-Гемпшир. Він назвав це "фантомною темною енергією". І вона приводить нас до неймовірно дивної долі Всесвіту.

Якщо фантомна темна енергія існує, тоді на нас чекає темна сторона сили, висловлюючись мовою «Зоряних війн». Зараз щільність темної енергії надзвичайно низька, набагато нижча за щільність матерії на Землі або навіть щільність галактики Чумацький Шлях, яка набагато менш щільна, ніж Земля. Однак з часом щільність фантомної темної енергії може наростати та розривати Всесвіт на частини. У роботі 2003 Колдуелл і його колеги представили сценарій під назвою «космічний кінець світу». Як тільки фантомна темна енергія стає більш щільною, ніж конкретний об'єкт, цей об'єкт розривається на шматки.

Спочатку фантомна темна енергія розірве Чумацький Шлях, відправивши його зірки у політ. Потім розірветься Сонячна система, оскільки тяжіння темної енергії стане потужнішим, ніж тяжіння Сонця щодо Землі. Зрештою, за кілька хвилин Земля просто вибухне. Самі атоми почнуть розпадатися, і вже за секунду Всесвіт буде розірвано. Колдуелл називає це Великим Розривом. Великий Розрив, за визнанням самого Колдуелла, «дуже дивовижний» сценарій.

Фантомна темна енергія кидає виклик фундаментальним ідеям Всесвіту, як припущення про те, що матерія та енергія не можуть рухатися швидше швидкостісвітла. Це хороші аргументипроти Великого Розриву. Спостереження за розширенням Всесвіту, а також експерименти з фізикою частинок показують, що в якості кінця світу більш ймовірно Велике Замерзання, за яким послідує Велика Зміна, а потім і Великий Стиснення.

Але це досить похмурий портрет майбутнього — століття холодної порожнечі, які чекають на вакуумний розпад і фінальний вибух, що переходить у небуття. Чи є якийсь інший варіант? Чи ми приречені?

Очевидно, саме у нас немає причин переживати про кінець Всесвіту. Всі ці події відбудуться через трильйони років у майбутньому, за винятком хіба що Великої Зміни, тож поки що все йде за планом. Також немає причин турбуватися за людство. Якщо не станеться інше, генетичний розрив змінить наших нащадків до невпізнання задовго до цього. Однак чи зможуть розумні істоти будь-якого виду, чи люди ні, вижити в принципі?

Фізик Фрімен Дайсон з Інституту перспективних досліджень у Прінстоні, Нью-Джерсі, розглянув це питання у класичній роботі 1979 року. У той час він дійшов висновку, що життя зможе змінити себе, щоб пережити Велике Замерзання, яке, як вважав фізик, буде менш проблемним, ніж пекло Великого Стиснення. Але в наші дні він менш оптимістичний завдяки відкриття темної енергії.

«Якщо Всесвіт прискорюється, це погані новини, – каже Дайсон. Прискорене розширення означає, що ми зрештою втратимо контакт з усім, крім жменьки галактик, що різко обмежить кількість доступної нам енергії. - У довгостроковій перспективітака ситуація буде дуже сумною».

Проте стан речей може змінитися. «Ми насправді не знаємо, чи розширення буде продовжуватися і чому воно прискорюється, — каже Дайсон. — Оптимістичний погляд на речі полягає в тому, що прискорення сповільнюватиметься в міру розширення Всесвіту. Якщо це станеться, майбутнє буде сприятливішим».

Але що, якщо розширення не буде сповільнюватися або стане відомо, що буде Велика Зміна? Деякі фізики пропонують рішення, божевільне в принципі. Щоб уникнути кінця Всесвіту, ми повинні побудувати власний Всесвіт у лабораторії та втекти до нього.

Один з фізиків, які працювали над цією ідеєю, це відомий Алан Гут з Массачусетського технологічного інституту в Кембриджі; він відомий своїми роботами на тему юного Всесвіту.
«Не можу сказати, що закони фізики припускаються можливості такого, — каже Гут. — Якщо це можливо, будуть потрібні технології, які виходять за межі всього, що ми можемо уявити. Це вимагатиме гігантської кількості енергії, яку ще потрібно буде видобути та утримати».

Перший крок, на думку Гута, полягає у створенні неймовірної щільної форми матерії – такої щільної, що вона буде на межі колапсу у чорну дірку. Якщо зробити це правильно, а потім швидко усунути матерію за межами цього згустку, можна отримати регіон простору, який почне швидко розширюватися.

По суті, ви провокуєте стрибок створення абсолютно нового Всесвіту. У міру розширення області простору, кордон скорочуватиметься, створюючи міхур викривленого простору всередині чогось більшого. Фанатам «Доктора Хто» це може здатися знайомим, і, за словами Гута, TARDIS це досить точна аналогія того, про що йдеться. Зрештою, «зовні» стиснеться до нуля, і новонароджений Всесвіт почне власне існування, незалежне від долі попереднього Всесвіту. Очевидно, як ця схема спрацює насправді зовсім незрозуміло. Ми навіть не знаємо, можливо це чи ні.

Втім, Гут має інше джерело надії на кращу долю для нашого світу — проблиск надії. Гут першим припустив, що в юності Всесвіт розширився надзвичайно швидко за частку секунди, ця ідея відома як «інфляція». Багато космологів вважають, що інфляція є самим точним описомрозширення юного Всесвіту, і Гут пропонує створити новий Всесвіт, спираючись саме на цей процес швидкого розширення.

Інфляція має інтригуючі наслідки кінцевої долі Всесвіту. Згідно з цією теорією, наш Всесвіт - це мала частина мультивсесвіту, безлічі кишенькових всесвітів, які плавають навколо.

«У такому разі, навіть якщо ми переконаємося, що наш окремий Всесвіт помре в процесі замерзання, мультивсесвіт житиме вічно, і нове життянароджуватиметься в кожному окремому кишеньковому Всесвіті, — каже Гут. — Мультивсесвіт воістину нескінченний, а в нескінченному майбутньому окремі Всесвіти можуть жити і вмирати скільки їм заманеться».

Загалом, нічого хорошого на нас не чекає.

Доля Всесвіту

«Доля істоти залежить від долі Всесвіту
Тому розумна істота повинна
перейнятися історією Всесвіту
Необхідна така найвища точка зору»
К.Е. Ціолковський.

Передмова

Космологічні моделі приводять до висновку, що доля Всесвіту, що розширюється, залежить тільки від середньої щільності заповнюючої її речовини і від значення постійної Хаббла. Якщо середня щільність дорівнює або нижче деякої критичної щільності, розширення Всесвіту триватиме вічно. Якщо щільність виявиться вище критичної, то розширення рано чи пізно зупиниться і зміниться стисненням. У цьому випадку Всесвіт звузиться до розмірів, які у нього були імовірно при виникненні, поступившись місцем явища, названому Великим стиском. Чому ж ця таємнича критична щільність світу? Виявилося, що значення її визначається лише сучасним значенням постійної Хаббла і становить незначну величину - близько 10 -29 г/см 3 або 10 15 атомних одиниць маси в кожному кубічному сантиметрі. За такої щільності грам речовини міститься в кубі зі стороною близько 40 тис. кілометрів! Визначити точно постійну Хаббла непросто. Галактики можуть мати досить високі випадкові швидкості (до 1000-2000 км/с), не пов'язані з космологічним розширенням. Щоб обчислити постійну Хаббла, доводиться вимірювати червоні усунення не близьких, а досить далеких галактик, відстані до яких дуже важко встановити. за сучасним оцінкамнайбільш ймовірне значення постійної Хаббла лежить в інтервалі 60-80 км/(с·Мпк). Визначити зі спостережень справжню середню щільність матерії Всесвіту, виявляється, набагато складніше, ніж знайти постійну Хаббла і визначити критичну щільність. З астрономічних спостережень випливає, що середня щільність усієї видимої речовини - зірок, пилу і міжзоряного газу- не перевищує 10% критичної щільності. Однак крім спостережуваної речовини у Всесвіті, безумовно, є і загадкове невидиме, або темна речовина, що нічим не проявляє себе, крім гравітаційного поля. Виміряти щільність темної речовини – завдання надзвичайно складне. Багато теоретичних міркувань змушують думати, що щільність Всесвіту з урахуванням темної речовини повинна дорівнювати критичній або трохи нижче її. Це найважливіше космологічне питання досі залишається відкритим.

Основні моделі Всесвіту

Отже, перерахуємо основні моделі Всесвіту:

Модель де Сіттера: Модель Всесвіту, що розширюється, запропонована в 1917 році, в якій не існує речовини або випромінювання. Ця нереалістична гіпотеза мала, проте, історично важливе значення, оскільки в ній вперше висувалась ідея про розширення, а не статичний Всесвіт.

Модель Леметра: Модель всесвіту, яка починається з Великого вибуху, який потім змінюється статичною фазою і подальшим нескінченним розширенням. Модель названа на ім'я Дж. Леметра (1894-1966), який в 1927 опублікував роботу з розширення Всесвіту. Він першим запропонував розглядати процес розширення Всесвіту від стану "первинного атома", тоді як Ейнштейн все ще був прихильником теорії статичного Всесвіту.

Модель Мілна: Модель Всесвіту, що розширюється, без використання загальної теорії відносності, запропонована в 1948 році Едвардом Мілном (Edward Milne). Це розширюється, ізотропний і однорідний Всесвіт. не містить речовини. Вона має негативну кривизну і незамкнута.

Модель Фрідмана: Модель Всесвіту, який може колапсувати всередину себе. У 1922 р. радянський математик А. А. Фрідман (Alexander Friedmann, 1888-1925), аналізуючи Альберта Ейнштейна, дійшов висновку, що Всесвіт неспроможна перебувати у стаціонарному стані - вона має або розширюватися, або пульсувати. Спочатку ця робота (1922 і 1924 рр.) була повністю проігнорована, але пізніше на неї звернули увагу у зв'язку з моделлю Всесвіту Леметра. Всесвіт Фрідмана може бути замкненим, якщо щільність речовини в ній досить велика, щоб зупинити розширення. Цей факт призвів до пошуку так званої нестачі маси. Надалі висновки Фрідмана отримали підтвердження в астрономічних спостереженнях, які виявили у спектрах галактик так зване червоне зміщення спектральних ліній, що відповідає взаємному видаленню цих зіркових систем.

Модель Ейнштейна-де Сіттера: Найпростіша із сучасних космологічних моделей, в якій Всесвіт має нульовий тиск, нульову кривизну (тобто плоску геометрію) і нескінченну протяжність, а її розширення не обмежене у просторі та в часі. Запропонована в 1932 р., ця модель є окремим випадком (при нульовій кривизні) більш загального всесвіту Фрідмана.

Всесвіт розширюється

Отже - Всесвіт розширюється!До цього висновку дійшов американський астроном Едвін Хаббл, який повторив експерименти попередників на значно більшому спостережному матеріалі. У 1929 році він повідомив, що не тільки встановив систематичне червоне зміщення спектральних ліній галактик, але й визначив закон, за яким швидкість видалення галактик від нас зростає зі збільшенням відстані. Тим самим було доведено, що у світі галактик існує свій Гольфстрім, який розносить їх космічним простором. Але чому цей факт означає нестаціонарність Всесвіту? Відповідь на це питання передбачає два рівні занурення в суть проблеми, що розглядається. Перший - найбільш "простий", ґрунтується на сучасних уявленнях про природу тяжіння, простору та часу. Другий - більш складний, зачіпає першопричини нестаціонарності Всесвіту, скоріше відповідаючи на питання не стільки, скільки чому взагалі Всесвіт розширюється. Обидва ці рівні принципово важливі для розуміння проблеми, що сягає своїм корінням до філософських поглядів Аристо́теля, Птолемея, , Лейбніца і . Стосовно астрономії передбачення сучасної фізики гранично лаконічні - у масштабах десятки і сотні мегапарсек лише одне з відомих у природі взаємодій - гравітаційне - може визначати характер руху небесних тіл у космічному просторі. Більше того, слідуючи передбаченням ОТО, можна стверджувати, що саме гравітація матерії призводить до викривлення простору та часу, на тлі якого "пробні частинки" - галактики рухаються за інерцією, своїми траєкторіями лише окреслюючи відхилення властивостей простору та часу від властивостей абсолютного ньютонівського простору. Той факт, що галактики розбігаються, означає, що змінюються властивості просторово-часового континууму, йде процес його розширення, що проявляється в хабловому потоці галактик. Більш того, на підтвердження цієї тези можна вибрати як позначки кривизни і розширення простору-часу не тільки галактики, але і їх скупчення - гігантські комплекси, що налічують від декількох до десятків тисяч галактик. Ці скупчення як ціле рухаються в хаббловском потоці з тим самим законом збільшення швидкості у міру збільшення відстані до них - розширення Всесвіту проявляє себе однаковим чином для будь-яких "пробних частинок", незалежно від їхньої маси!

Шановні відвідувачі!