Новый сюрприз Вселенной: темная энергия. Излучение вселенной квантовая энергия
Новый сюрприз Вселенной: темная энергия
Туманность 'Паруса' - остатки взрыва сверхновой.
Снимки наиболее удаленной сверхновой, сделанные космическим телескопом Хаббл.
Схематическое изображение возможных решений уравнений общей теории относительности с отличной от нуля вакуумной энергией (космологической константой), сопоставленное с данными наблюдений сверхновых звезд, реликтового излучения и скоплений галактик.
Уже полученные результаты (с вертикальными отрезками , отвечающими экспериментальным ошибкам) и ожидаемые (красные точки) от будущих наблюдений за сверхновыми с бoльшими значениями красного смещения (или величины z).
Основные элементы орбитальной лаборатории SNAP (Supernova/Acceleration Probe).
Пространственная структура реликтового излучения, заполняющего Вселенную.
‹
›
Недавно была сформулирована новая версия стандартной космологической модели Вселенной, названная "космическим согласием" ("cosmic concordance"). Она описывает широкий круг явлений в рамках теперь уже надежно обоснованной модели горячей Вселенной, ведущей начало с так называемого Большого взрыва (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1996 г.). Согласно этой версии, вся материя состоит из трех основных компонент: барионной (в основном это нуклоны и гипероны), которую описывает общепринятая модель элементарных частиц; небарионной темной материи, предположительно представленной либо неизвестными еще почти невзаимодействующими массивными частицами, либо гипотетическими аксионами - очень легкими и тоже очень слабо связанными с барионами частицами с нулевым спином, существование которых также не противоречит основам современной квантовой теории; и, наконец, - в этом как раз и состоит довольно неожиданный сюрприз - темной энергии, относительно физической природы которой мы практически еще ничего не знаем. При этом на долю барионов приходится всего лишь около 4% всей массы (здесь масса М понимается в релятивистском смысле как M = E/c2, где E - полная энергия, а c - скорость света, причем обычно пользуются системой единиц, в которой c = 1). Часть барионов - тоже "темная", а точнее холодная, в том смысле, что не обнаруживает себя непосредственно светом раскаленных звезд. Темная материя составляет примерно 20-25% всей массы. Львиная же доля - 70-75% всей массы - приходится на темную энергию, которая пока обнаруживает себя только тем, что влияет на скорость глобального расширения Вселенной. Эта фоновая энергия распределена равномерно, во всяком случае, в пространственных масштабах, превышающих размеры всех известных неоднородностей (скажем, скоплений галактик).
Представление о темной энергии возникло в 1998 году и связано с наблюдениями за сверхновы ми звездами, которые время от времени ярко вспыхивают на небосклоне и затем довольно быстро тускнеют. Благодаря своим уникальным свойствам эти звезды используют в качестве маркеров для определения того, как космологические расстояния изменяются со временем. Так вот, в 1998 году две группы астрофизиков - одна в США, а другая в Австралии - почти одновременно обнаружили, что самые далекие сверхновые светят не так ярко, как это ожидалось, исходя из того, что Вселенная заполнена материей, гравитирующей по закону Ньютона, то есть обратно пропорционально квадрату расстояния. Это означало, что они расположены от нас дальше, чем должны были бы находиться, если бы Вселенная расширялась в поле обычных гравитационных сил. Таким образом, с достоверностью 99% можно утверждать, что во Вселенной должна быть еще какая-то дополнительная энергия, способная на космологических расстояниях противостоять гравитаци онному притяжению материи. Она и есть то, что стали понимать под словами "темная энергия".
С тех пор получено множество новых свидетельств в пользу данного утверждения - как в ходе дальнейших и более надежных наблюдений за сверхновыми, так и в результате ряда других исследований. Таковыми были, прежде всего, детальные измерения энергетического спектра реликтового излучения в наземных лабораториях и со спутников (см. "Наука и жизнь" № 1, 1993 г.). Эти же эксперименты показали, что Вселенная плоская (во всяком случае - почти), то есть ее видимая пространственная геометрия эвклидова, что согласуется с предсказанием инфляционной модели (см. "Наука и жизнь" № 8, 2002 г.). В то же время наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что обычная материя (барионная и темная) может обеспечить всего лишь 20-30% необходимой для этого средней плотности энергии. Таким образом, все сходится к тому, что около трех четвертей этой плотности следует отнести на счет темной энергии, которая и ускоряет расширение Вселенной.
О ПРИРОДЕ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ
Откуда же все-таки берется эта темная энергия? Вразумительного ответа на этот вопрос пока нет, но обычно его пытаются найти, комбинируя уравнения общей теории относительности (ОТО) с уравнениями состояния вещества, о которых для начала поговорим вкратце.
Под уравнениями состояния вещества понимается взаимозависимость между плотностью полной энергии e и давлением p. Простейшим примером является уравнение Клапейрона для идеального газа p = 2/3 keк = = 2/3 k (e - r), где k - постоянная Больцмана, eк -плотность кинетической энергии и r - плотность массы покоя.
В нерелятивистской среде (где величина массы намного превышает кинетическую энергию частиц) давление ничтожно мало по сравнению с плотностью полной энергии, так что в данном контексте его можно с очень хорошей точностью считать просто равным нулю. В релятивистской среде (когда, наоборот, кинетическая энергия намного больше массы покоя) плотность энергии всего лишь втрое больше давления, e = 3p. А в вакууме сумма e + p = 0, то есть они отличаются только знаком (иначе говоря, e/p = -1). Последнее прямо вытекает из того, что по самому своему смыслу вакуум должен быть релятивистски инвариантным, то есть выглядеть одинаково во всех системах координат, а упомянутое только что уравнение состояния - единственное, которое удовлетворяет этому требованию. На первый взгляд кажется, что в вакууме вообще "ничего нет", и, стало быть, просто e = p = = 0. Но такие "естественные" аргументы проходят только в рамках классической теории. Уже давно и хорошо известно, что плотность энергии квантового вакуума может отличаться от нуля и притом весьма значительно (примером тому служат неустранимые нулевые колебания).
Теперь обратимся к уравнениям ОТО. В них давление само "гравитирует", то есть в определенном смысле становится эквивалентным массе (энергии), и знак полного гравитационного взаимодействия определяется знаком суммы e + 3p. Если он положителен - а это, очевидно, так для любой среды, кроме вакуума, - имеет место хорошо знакомое нам притяжение. А вот в вакууме может быть что угодно: там eвак + pвак = 0, так что eвак + 3pвак = 2pвак, и все зависит от знака давления. Если pвак і0 (и, значит, eвак Ј0), то качественно мало что меняется: вакуум или не повлияет никак, или же добавит в "общий котел" некоторое дополнительное равномерно размазанное по Вселенной притяжение. Но если pвак < 0 (и, значит, eвак > 0), то вакуум привнесет в этот "общий котел" антигравитационную составляющую - отталкивание, что совсем небезобидно. Дело в том, что, будучи равномерно размазанной по всему пространству, она с ростом расстояния станет все сильнее подавлять притяжение "локализованной" материи и рано или поздно обязательно возобладает в суммарном вкладе по всему объему, обеспечив, таким образом, выталкивание (а не притяжение!) материи за его пределы!
По существу, именно это соображение положено в основу инфляционной модели, утверждающей, что в очень ранней Вселенной абсолютно доминировала огромная (положительная!) энергия вакуума, который по этой причине стремительно раздувался, а вещество появилось лишь позднее.
Формально такой режим можно смоделировать математически, введя в уравнения ОТО положительную космологическую константу. Вакуум ОТО с ненулевой космологической константой давно и детально изучен и известен под названием "мир де-Ситтера". Его свойства весьма интересны и во многом парадоксальны, но их обсуждение увело бы нас в сторону. Интересно, однако, то, что уравнения ОТО с положительной космологической константой, включающие в себя не только гравитацию, но и антигравитацию, могли бы на первый взгляд пролить свет если не на физический смысл, то хотя бы на определенную математическую интерпретацию темной энергии. Но тут мы оказываемся перед лицом почти неразрешимой проблемы.
Дело в том, что величина космологической константы, необходимая для объяснения наблюдаемых размеров Вселенной с помощью инфляционной модели, настолько велика, что сейчас темная энергия должна была бы превышать энергию, связанную с обычной материей, примерно на 120 порядков (то есть быть в 10120 раз больше!). А между тем она, как уже упоминалось, хотя и больше, но все-таки имеет тот же порядок величины.
Конечно, в результате фазового перехода с перестройкой вакуума, который почти несомненно случился в ранней Вселенной, космологическая константа могла измениться (и наверняка изменилась), но все же пока совершенно непонятно, как и почему произошла столь "тонкая настройка", что она уменьшилась именно на 120 порядков, а не, скажем, в 10 или 100 раз. Правда, возможна и так называемая антропологическая позиция: если бы случилось иначе, то сейчас было бы некому задаваться подобными вопросами. Однако если не становиться на позицию фаталистов и не считать, что все сущее обязано воле случая, - одним словом, если не закапывать по-страусиному голову в песок, - то стоит все-таки поискать более содержательный ответ.
И его интенсивно ищут. Погоня за все новыми экспериментальными свидетельства ми присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной.
Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Иначе говоря, нужно "просканировать" уравнение ее состояния по соответствующим величинам красного смещения, которое возникает в результате эффекта Доплера. Они определяются пара метром z є (l0 - lе)/lе, где l0 - длина волны принимаемого излучения, lе - длина волны испускаемо го излучения, их получают непосредственно из наблюдений. Или, что то же самое, уравнение нужно исследовать по всем значениям величины (1 + z) - относительному различию характерных пространственных масштабов Вселенной от ее "туманной юности", когда было 1/(1 + z) << 1 и, значит, красное смещение z >> 1, до наших дней, когда 1/(1 + z) = 1 (то есть z = 0). Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и об его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды подобно тому, как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.
Здесь решающая роль отводится сверхновым звездам, видимая яркость которых позволяет довольно точно судить об их удаленности от нас и, значит, о моменте их взрыва, а красное смещение в спектрах - это не что иное, как соотношение размеров Вселенной сейчас и в то время. Взятые в совокупности, они дадут полное представление о характере эволюции Вселенной.
Второе направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. И, наконец, третье направление - это выявление чрезвычайно малых пространственных флуктуаций темной энергии по сверхточному (прецизионному) измерению столь же мизерной анизотропии спектра реликтового излучения.
Возможности последних двух направлений серьезно ограничены естественными неопределенностями, неизбежно присущими астрофизике и космической статистике (в частности, тем, что в нашем распоряжении имеется, увы! - только одна Вселенная; хорошо известно, что эта "досадная недоработка природы" сильно сковывает руки и в исследовании ряда смежных вопросов). Как уже упоминалось выше, они тем не менее могут оказаться очень полезными для перекрестного сопоставления результатов.
В реализации всей этой грандиозной программы и состоит самая фундаментальная задача космологии на ближайшие годы. Дальнейшие исследования должны также ограничить произвол в выборе параметров различных теоретических моделей и предсказать более определенно судьбу нашей Вселенной, включая, быть может, и оценку времени, которое осталось до "Страшного космического суда" (на всякий случай - оно не может быть меньше многих миллиардов лет).
СЛОВАРИК К СТАТЬЕ
Барионы - элементарные частицы, обладающие (в отличие от всех других) так называемым барионным зарядом. Как показывает опыт, барионный заряд изолированной системы сохраняется точно или с очень высокой степенью точности, хотя причина этого неизвестна. Наиболее известные примеры барионов - протоны и нейтроны с барионным зарядом +1, а также соответствующие античастицы - антибарионы, барионный заряд которых равен -1.
Гипероны - "странные" барионы, иначе говоря - барионы, содержащие хотя бы один странный кварк.
Инфляционная модель - сценарий, в котором предполагается, что в первые мгновения своего существования Вселенная представляла собой "ложный вакуум" - метастабильное состояние без реальных частиц, которое не превратилось сразу же в реальный физический вакуум только потому, что для этого необходимо было преодолеть некоторый потенциальный барьер. Этот вакуум расширялся с огромной скоростью и, туннелируя через упомянутый барьер (напомним, что, в отличие от классической, квантовая механика этого не запрещает - пример тому спонтанное деление ядер и многие переходы в твердых телах), "сваливался" в реальный физический вакуум, энергия которого значительно ниже. В результате выделилась громадная энергия, произошел сильнейший разогрев, и во Вселенной появились реальные частицы (в соответствии с обычными законами термодинамики). С этого времени началось и происходит сейчас ее расширение (несравненно более медленное) и постепенное остывание (конечно, "в среднем"), как это качественно и предсказывает общепринятая модель горячей Вселенной.
Нулевые колебания - чисто квантовый эффект, означающий, что энергию частицы или поля нельзя понизить точно до нуля. В случае полей их энергия формально вообще бесконечна. Поскольку обычно всегда играют роль только разности энергий, эта энергия во всех расчетах сокращается. Однако в ОТО энергия приобретает абсолютный смысл.
Мир де-ситтера - так принято называть решения уравнений ОТО с космологической постоянной, которые описывают вакуумное состояние. Свойства последнего зависят от знака этой постоянной и сильно отличают его от "пустого вакуума".
Космологическая постоянная - величина, известная также под названием L-члена. Присутствие такого слагаемого в уравнениях ОТО ничем не запрещено, и вначале Эйнштейн считал его даже необходимым, так как без него стационарная Вселенная с одним только притяжением явно неустойчива. Когда же было найдено нестационарное решение ОТО (фридмановская расширяющаяся Вселенная) и тем более когда выяснилось, что именно оно отвечает реальности, необходимость в L-члене для внутренне непротиворечивого описания современной Вселенной, казалось бы, отпала. И вот теперь вопрос снова оказался на повестке дня.
Красное смещение - эффект Доплера, который состоит в том, что частота видимого света (и вообще принимаемых электромагнитных волн) зависит от относительной скорости излучателя и приемника: чем быстрее они удаляются друг от друга, тем она меньше. В горячей Вселенной относительные скорости всех тел (на космологических расстояниях) тем больше, чем дальше они одно от другого. В результате оказывается, что принимаемая нами частота уменьшается (по сравнению с частотой неподвижного источника) во столько же раз, во сколько раз масштабы Вселенной в момент излучения были меньше, чем сейчас. Этот фактор принято записывать в виде (1 + z), потому что тогда z - это красное смещение, относительное удлинение электромагнит ной волны.
Масса покоя (она же и энергия покоя в системе единиц, где скорость света c = 1) - это масса (энергия) неподвижного тела; полная (релятивистская) масса (энергия) равна массе покоя + кинетическая энергия тела.
www.nkj.ru
Реликтовое излучение Вселенной
Одним из интересных открытий, связанных с электромагнитным спектром, является реликтовое излучение Вселенной. Открыто оно было случайно, хотя возможность его существования была предсказана.
История открытия реликтового излучения
История открытия реликтового излучения началась в 1964 году. Сотрудники американской лаборатории Белл Телефон разрабатывали систему связи с помощью искусственного спутника Земли. Работать эта система должна была на волнах длиной 7,5 сантиметра. Столь короткие волны применительно к спутниковой радиосвязи имеют некоторые преимущества, но до Арно Пензиаса и Роберта Уилсона никто этой проблемы не решал.
Они были первооткрывателями в этой сфере и должны были позаботиться о том, чтобы на той же волне не оказалось сильных помех, или чтобы о таких помехах работники связи знали заранее. В то время считали, что источником радиоволн, идущих из космоса, могут быть лишь точечные объекты вроде радиогалактик или звезд.
Источники радиоволнВ распоряжении ученых были исключительно точный приемник и поворотная рупорная антенна. С их помощью ученые могли прослушать весь небесный свод примерно так, как врач прослушивает грудь больного с помощью стетоскопа.
Сигнал природного источника
И вот едва антенну навели на одну из точек небосвода, как на экране осциллографа заплясала кривая линия. Типичный сигнал природного источника. Наверное, специалисты удивились своему везению: в первой же замеренной точке — источник радиоизлучения!
Но куда бы они ни направляли свою антенну, эффект оставался тот же. Ученые вновь и вновь проверяли исправность аппаратуры, но она была в полном порядке. И наконец они поняли, что открыли неизвестное ранее явление природы: вся Вселенная оказалась как бы наполнена радиоволнами сантиметровой длины.
Если бы мы могли видеть радиоволны, небесный свод представился бы нам светящимся от края до края.
Радиоволны ВселеннойОткрытие Пензиаса и Уилсона было опубликовано. И уже не только они, а и учёные многих других стран начали поиски источников таинственных радиоволн, улавливаемых всеми приспособленными для этой цели антеннами и приемниками, где бы они ни находились и на какую бы точку неба ни нацеливались, причем интенсивность радиоизлучения на волне 7,5 сантиметра в любой точке была абсолютно одинаковой, оно словно бы размазано по всему небу равномерно.
Реликтовое излучение рассчитано учеными
Советские ученые А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков, предсказавшие реликтовое излучение до его открытия, произвели сложнейшие подсчеты. Они учли все имеющиеся в нашей Вселенной источники излучения, учли и то, как изменилось излучение тех или иных объектов во времени. И оказалось, что в области сантиметровых волн все эти излучения минимальны и, следовательно, за обнаруженное свечение неба никак не ответственны.
Между тем дальнейшие расчеты показали, что плотность размазанного излучения очень велика. Вот сравнение фотонного киселя (так назвали ученые загадочное излучение) с массой всей материи по Вселенной.
Если все вещество всех видимых Галактик равномерно «размазать» по всему пространству Вселенной, то на три кубических метра пространства придется лишь один атом водорода (для простоты всю материю звезд будем считать водородом). И в то же время в каждом кубическом сантиметре реального пространства содержится около 500 фотонов излучения.
Немало, даже если сравнивать не количество единиц вещества и излучения, а прямо их массы. Откуда же взялось столь интенсивное излучение?
В свое время советский ученый А. А. Фридман, решая знаменитые уравнения Эйнштейна, открыл, что наша Вселенная находится в постоянном расширении. Вскоре было найдено подтверждение этому.
Американец Э. Хаббл обнаружил явление разбегания Галактик. Экстраполируя это явление в прошлое, можно вычислить момент, когда все вещество Вселенной находилось в весьма малом объеме и плотность его была несравненно большей, чем сейчас. В ходе расширения Вселенной происходит и удлинение длины волны каждого кванта пропорционально расширению Вселенной; при этом квант как бы «охлаждается» — ведь чем меньше длина волныкванта, тем он «горячее».
Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру около 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А десять миллиардов лет назад, когда Вселенная была несравненно меньшей, а плотность ее вещества очень большой, эти кванты обладали температурой порядка 10 миллиардов градусов.
С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Потому-то «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило названиереликтовое излучение.
Реликтами, как известно, называются остатки древнейших животных и растений, сохранившихся до наших дней. Кванты сантиметрового излучения — безусловно, самый древний из всех возможных реликтов. Ведь образование их относится к эпохе, отстоящей от нас примерно на 15 миллиардов лет.
Знание о Вселенной принесло реликтовое излучение
Практически ничего нельзя сказать о том, каким было вещество в нулевой момент, когда его плотность была бесконечно большой. Но явления и процессы, происходившие во Вселенной, всего через секунду после ее рождения и даже раньше, до 10~8 секунды, ученые представляют себе уже довольно хорошо. Сведения об этом принесло именно реликтовое излучение.
Итак, прошла секунда с нулевого момента. Материя нашей Вселенной имела температуру 10 миллиардов градусов и состояла из своеобразной «каши» реликтовых квантов, электродов, позитронов, нейтрино и антинейтрино. Плотность «каши» была огромной — более тонны на каждый кубический сантиметр. В такой «тесноте» непрерывно происходили столкновения нейтронов и позитронов с электронами, протоны превращались в нейтроны и наоборот.
Но больше всего было тут именно квантов — в 100 миллионов раз больше, чем нейтронов и протонов. Конечно, при подобной плотности и температуре не могли существовать никакие сложные ядра вещества: они тут не распадались.
Прошло сто секунд. Расширение Вселенной продолжалось, плотность ее непрерывно уменьшалась, температура падала. Позитроны почти исчезли, нейтроны превратились в протоны.
Началось образование атомных ядер водорода и гелия. Расчеты, проведенные учеными, показывают, что 30 процентов нейтронов объединились, образуя ядра гелия, 70 же процентов их остались одинокими, стали ядрами водорода. В ходе этих реакций возникали новые кванты, но их количество не шло уже ни в какое сравнение с первоначальным, так что можно считать, что оно и вовсе не изменялось.
Расширение Вселенной продолжалось. Плотность «каши», столь круто заваренной природой вначале, снижалась пропорционально кубу линейного расстояния. Проходили годы, столетия, тысячелетия.
Прошло 3 миллиона лет. Температура «каши» к этому моменту упала до 3—4 тысяч градусов, плотность вещества также приблизилась к известной нам сегодня, однако сгустки материи, из которых могли бы сложиться звезды и Галактики, возникнуть еще не могли. Слишком велико было в то время лучевое давление, расталкивавшее любое такое образование. Даже атомы гелия и водорода оставались ионизированными: электроны существовали отдельно, протоны и ядра атомов — также отдельно.
Только к концу трехмиллионнолетнего периода в остывающей «каше» начали появляться первые сгущения. Их было поначалу очень немного. Едва одна тысячная часть «каши» сгустилась в своеобразные протозвезды, как эти образования начали «гореть» аналогично современным звездам.
И исторгаемые ими фотоны и кванты энергии разогрели начавшую было остывать «кашу» до температур, при которых образование новых сгущений опять оказалось невозможным.
Периоды остывания и повторного разогревания «каши» вспышками протозвезд чередовались, сменяя друг друга. А на каком-то этапе расширения Вселенной образование новых сгущений стало практически невозможным уже потому, что некогда столь густая «каша» слишком «разжижилась».
Примерно 5 процентов материи успело объединиться, а 95 процентов рассеялось в пространстве расширяющейся Вселенной. Так «рассеялись» и некогда горячие кванты, образовавшие реликтовое излучение. Так рассеялись и ядра атомов водорода и гелия, которые входили в состав «каши».
Гипотеза образования Вселенной
Вот одна из гипотез образования Вселенной: большая часть материи нашей Вселенной находится, отнюдь, не в составе планет, звезд и Галактик, а образует межгалактический газ — 70 процентов водорода и 30 процентов гелия, один атом водорода на кубический метр пространства. Затем развитие Вселенной миновало стадию протозвезд и вступило в стадию обычного для нас вещества, обычных разворачивающихся спиральных Галактик, обычных звезд, самая знакомая из которых — наше Солнце.
Вокруг некоторых из этих звезд образовались системы планет, по крайней мере, на одной из таких планет возникла жизнь, в ходе эволюции породившая разум. Как часто встречаются в просторах космоса звезды, окруженные хороводом планет, ученые пока еще не знают. Ничего не могут они сказать и о том, как часто возникает на планетах жизнь.
Хоровод планетДа и вопрос о том, как часто растение жизни расцветает пышным цветком разума, остается открытым. Известные нам сегодня гипотезы, трактующие все эти вопросы, больше похожи на малообоснованные догадки.
Но сегодня наука развивается лавинообразно. Совсем недавно ученые вообще не представляли себе, как начиналась наша Вселенная. Открытое около 70 лет назад реликтовое излучение позволило нарисовать ту картину. Сегодня у человечества не хватает фактов, опираясь на которые, оно сможет ответить на сформулированные выше вопросы.
Проникновение в космическое пространство, посещения Луны и других планет, приносят новые факты. А за фактами следуют уже не гипотезы, а строгие выводы.
Реликтовое излучение говорит об однородности Вселенной
О чем еще рассказали ученым реликтовые лучи, эти свидетели рождения нашей Вселенной?
А. А. Фридман решил одно из уравнений, данных Эйнштейном, и на основе этого решения открыл расширение Вселенной. Для того чтобы решить уравнения Эйнштейна, надо было задать так называемые начальные условия.
Фридман исходил из предположения, что Вселенная однородна и изотропна, что вещество в ней распределено равномерно. И в течение 5—10 лет, прошедших со дня открытия Фридмана, вопрос о том, правильно ли было это его предположение, оставался открытым.
Сейчас он по существу снят. Об изотропности Вселенной свидетельствует удивительная равномерность реликтового радиоизлучения. Второй факт свидетельствует о том же — распределение вещества Вселенной между Галактиками и межгалактическим газом.
Межгалактический газВедь межгалактический газ, составляющий основную часть вещества Вселенной, распределен по ней столь же равномерно, как и реликтовые кванты.
Открытие реликтового излучения дает возможность заглянуть не только в сверхдалекое прошлое — за такие пределы времени, когда не было ни нашей Земли, ни нашего Солнца, ни нашей Галактики, ни даже самой Вселенной.
Как удивительный телескоп, который можно направить в любую сторону, открытие реликтового излучения позволяет заглянуть и в сверхдалекое будущее. Такое сверхдалекое, когда уже не будет ни Земли, ни Солнца, ни Галактики.
Здесь поможет явление расширения Вселенной, то как разлетаются в пространстве слагающие ее звезды, Галактики, облака пыли и газа. Вечен ли этот процесс? Или же разлет замедлится, остановится, а затем сменится сжатием? И не являются ли сменяющие друг друга сжатия и расширения Вселенной своеобразными пульсациями материи, не уничтожимойи вечной?
Ответ на эти вопросы зависит в первую очередь от того, сколько материи содержится во Вселенной. Если ее общего тяготения достаточно, чтобы преодолеть инерцию разлета, то расширение неизбежно сменится сжатием, при котором Галактики постепенно сблизятся. Ну а если сил гравитации для торможения и преодоления инерции разлета недостаточно, наша Вселенная обречена: она рассеется в пространстве!
Грядущая судьба всей нашей Вселенной! Существует ли проблема более грандиозная? Изучение реликтового излучения дало науке возможность ее поставить. И не исключено, что дальнейшие исследования позволят ее решить.
libtime.ru
Космос: Реликтовое излучение Вселенной
Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение) — космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно черного тела с температурой ≈ 2,725 K.
Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом в 1948 году на основе созданной ими первой теории Большого взрыва. Альфер и Герман смогли установить, что температура реликтового излучения должна составлять 5K , а Гамов дал предсказание в 3 K. Хотя некоторые оценки температуры пространства существовали и до этого, они обладали несколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективной температуры пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняется закону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения на краю Галактики и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они бы дали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другом месте Вселенной.
Ни сам Г. Гамов, ни многие его последователи не ставили вопрос об экспериментальном обнаружении реликтового излучения. По видимому, они считали, что это излучение не может быть обнаружено, так как оно «тонет» в потоках энергии, приносимых на землю излучением звезд и космических лучей.Возможность обнаружения реликтового излучения на фоне излучения галактик и звезд в области сантиметровых радиоволн была обоснована расчетами А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, выполненными по предложению Я. Б. Зельдовича в 1964 г., т. е. за год до открытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона.
На фото ниже - Арно Аллан Пензиас (на фото справа) и Роберт Вудро Уилсон (на фото слева) — американские физики, открывшие реликтовое электромагнитное излучение.
В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон построили радиометр Дикке, который они намеревались использовать не для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в области радиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке прибора выяснилось, что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 K, которую они не могли объяснить. Небольшой шумовой фон не менялся ни от направления, ни от времени работы. Сначала решили, что это шум, свойственный аппаратуре, Радиотелескоп демонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров было задето, и поэтому проверка шла до последней детали, до последней пайки. Устранили, кажется, все! Собрали снова – шум возобновился. После долгих раздумий теоретики пришли к выводу, что это излучение могло быть ничем иным, как постоянным фоном космического радиоизлучения, заполняющего Вселенную ровным потоком. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорвали куш, парни». Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, что такая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. Астрофизики рассчитали, что шум соответствует температуре, равной примерно 3 градусам Кельвина, и «прослушивается на различных частотах. В 1978 году Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию за их открытие.Можно себе представить, как возрадовались сторонники «горячей» модели, когда пришло это сообщение. Это открытие не только укрепило позиции «горячей» модели. Реликтовое излучение позволило со ступеньки времени квазаров (8-10 миллиардов лет) опуститься на ступеньку, соответствующую 300 тысячам лет от самого «начала». Одновременно подтверждалась мысль, что некогда Вселенная имела плотность в миллиард раз более высокую, чем сейчас.
Известно, что нагретое вещество всегда излучает фотоны. Согласно общим законам термодинамики, в этом проявляется стремление к равновесному состоянию, при котором достигается насыщение: рождение новых фотонов компенсируется обратным процессом, поглощением фотонов веществом, так что полное число фотонов в среде не меняется.
Этот «фотонный газ» равномерно заполняет всю Вселенную. Температура газа фотонов близка к абсолютному нулю — около 3 кельвинов, но энергия, содержащаяся в нем, больше световой энергии, испущенной всеми звездами за время их жизни. На каждый кубический сантиметр пространства Вселенной приходится приблизительно пятьсот квантов излучения, а полное число фотонов в пределах видимой Вселенной в несколько миллиардов раз больше полного числа частиц вещества, т. е. атомов, ядер, электронов, из которых состоят планеты, звезды и галактики. Это общее фоновое излучение Вселенной называют с легкой руки И. С. Шкловского, реликтовым, т. е. остаточным, представляющим собой остаток, реликт плотного и горячего начального состояния Вселенной.
Предположив, что вещество ранней Вселенной было горячим, Г. Гамов предсказал, что фотоны, которые находились тогда в термодинамическом равновесии с веществом, должны сохраниться в современную эпоху. Эти фотоны и удалось непосредственно обнаружить в 1965 г. Испытав общее расширение и связанное с ним охлаждение, газ фотонов образует сейчас фоновое излучение Вселенной, приходящее к нам равномерно со всех сторон. Квант реликтового излучения не имеет массы покоя, как всякий квант электромагнитного излучения, но обладает энергией, а следовательно, по знаменитой формуле Эйнштейна Е=Мс², и массой, соответствующей этой энергии. Для большинства реликтовых квантов эта масса очень мала: гораздо меньше массы атома водорода — самого распространенного элемента звезд и галактик. Поэтому, несмотря на значительное преобладание по числу частиц, реликтовое излучение уступает звездам и галактикам по вкладу в общую массу Вселенной. В современную эпоху плотность излучения составляет 3•10-34 г/см3, что приблизительно в тысячу раз меньше усредненной плотности вещества галактик. Но так было не всегда — в далеком прошлом Вселенной фотоны давали главный вклад в ее плотность. Дело в том, что в ходе космологического расширения плотность излучения падает быстрее плотности вещества. В этом процессе убывает не только концентрация фотонов (в том же темпе, что и концентрация частиц), но уменьшается и средняя энергия одного фотона, так как при расширении падает температура газа фотонов.
В ходе последующего расширения Вселенной температура плазмы и излучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало за характерное время расширения заметно влиять на спектр излучения. Однако даже при полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширения Вселенной чернотельный спектр излучения остаётся чернотельным, уменьшается лишь температура излучения. Пока температура превышала 4000 K, первичное вещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния до др. был много меньше горизонта Вселенной. При T ≈ 4000K произошла рекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. В ходе её дальнейшего расширения температура излучения продолжала падать, но чернотельный характер излучения сохранился как реликт, как "память" о раннем периоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см, а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).
Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к микроволновому фоновому излучению: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также почти полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождение микроволнового фонового излучения.
Фоновое излучение изотропно лишь в системе координат, связанной с "разбегающимися" галактиками, в т. н. сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). В любой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления. Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительно системы координат, связанной с микроволновым фоновым излучением. Действительно, в силу Доплера, эффекта фотоны, распространяющиеся навстречу движущемуся наблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря на то, что в системе, связанной с м. ф. и., их энергии равны. Поэтому и температура излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей от направления.
Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движением Солнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему времени твердо установлена: в направлении на созвездие Льва температура реликтового излучения на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе с Землёй) движется относительно м. ф. и. со скоростью около 400 км/с по направлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, что экспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую 30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяет определить скорость движения Галактики относительно фонового излучения Она составляет ≈ 600 км/с.Спектрофотометр дальнего инфракрасного излучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer (COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти измерения стали наиболее точными на сегодняшний день измерениями спектра абсолютно черного тела. Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построить в результате работы американского космического аппарата WMAP.
Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 K. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 % — среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6.706 мК), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы координат, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с.
cosmoss1.blogspot.com
Kvant. Тёмная энергия — PhysBook
Рубаков В. Темная энергия во Вселенной //Квант. — 2010. — № 5. — С. 8-15
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Физики любят красное словцо. в их среде с некоторых пор принято давать «ненаучные» названия вновь открытым сущностям. Взять хотя бы «странный» или «очарованный» кварки. Вот и темная энергия - не синоним темных сил, а термин, придуманный для обозначения необычного свойства нашей Вселенной.
Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия - пожалуй, главная загадка современного естествознания. Вполне вероятно, что ее разгадка станет важнейшим событием физики XXI века, сравнимым по масштабу с крупнейшими открытиями недалекого прошлого, такими как открытие феномена расширения Вселенной. Не исключено даже, что произойдет настолько радикальное развитие теории, что оно встанет в один ряд с созданием общей теории относительности, открытием кривизны пространства-времени и связи этой кривизны с гравитационными силами. Мы сейчас находимся в начале пути, и разговор о темной энергии - это возможность заглянуть в «лабораторию» физиков в то время, когда их работа идет полным ходом.
Немного истории
«Маловато будет»То, что в нашей Вселенной «что-то не так», стало ясно космологам уже к началу 90-х годов прошлого века. Чтобы пояснить, о чем идет речь, начнем с того, что напомним о расширении нашей Вселенной. Удаленные друг от друга галактики разбегаются, причем чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Количественно темп расширения характеризуется параметром (постоянной) Хаббла - коэффициентом пропорциональности между скоростью удаления и расстоянием. Значение параметра Хаббла в современной Вселенной довольно хорошо измерено: темп расширения Вселенной сегодня таков, что галактики, удаленные от Земли на расстояние 1 миллиард световых лет, убегают от нас со скоростью 22000 километров в секунду. Параметр Хаббла зависит от времени; так, в далеком прошлом Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем сейчас, и, соответственно, параметр Хаббла был гораздо больше.
Рис. 1. Расширяющаяся Вселенная. Более далекие галактики удаляются от нас быстрее и выглядят более красными из-за эффекта Доплера. Измерения расстояний до удаленных галактик совместно с измерениями их скоростей позволяют определить значение параметра Хаббла, характеризующего темп расширения Вселенной В современной теории гравитации - общей теории относительности - параметр Хаббла однозначно связан с двумя другими характеристиками Вселенной: во-первых, с суммарной плотностью энергии всех форм материи, вакуума и т.д., а во-вторых, с кривизной трехмерного пространства. Наше трехмерное пространство, вообще говоря, не обязано быть евклидовым; его геометрия может, например, быть аналогична геометрии сферы; сумма углов треугольника может не равняться 180° . В таком случае «упругость» пространства, с точки зрения расширения Вселенной, играет ту же роль, что и плотность энергии. Итак, в рамках общей теории относительности параметр Хаббла определяет сумму полной плотности энергии во Вселенной и вклада, связанного с возможной неевклидовостью трехмерного пространства.
К началу 90-х годов с неплохой точностью была оценена и плотность энергии «нормальной» материи в современной Вселенной. Нормальная она в том смысле, что испытывает такие же гравитационные взаимодействия, что и обычное вещество. Так, для нормальной материи справедлив закон всемирного тяготения Ньютона. Дело, впрочем, осложняется тем, что большая часть нормальной материи это отнюдь не известное нам вещество (атомы и ионы), а так называемая темная материя. Темная материя, по-видимому, состоит из новых, не открытых пока в земных экспериментах элементарных частиц. В отличие от многих известных частиц, они не несут электрического заряда, а потому не излучают свет; состоящая из них материя действительно темная. Сходство с обычным веществом состоит в том, что силы гравитационного притяжения заставляют темную материю собираться в сгустки -галактики и скопления галактик. Она и сама притягивает вещество и свет - именно по эффекту гравитационного притяжения темная энергия и была обнаружена. Более того, измерения гравитационных сил в скоплениях галактик позволили определить массу темной материи в этих скоплениях, а в конечном итоге -в целом во Вселенной. Таким образом и была найдена полная плотность энергии нормальной материи (для нее справедлива знаменитая формула E = mc2 ).
Рис. 2. Распределение массы в скоплении галактик. Яркие пятна — галактики. Масса же сосредоточена в основном в темной материи, распределенной по скоплению более равномерно (это распределение условно показано голубым цветом) И что же оказалось? Выяснилось, что нормальной материи явно не хватает для объяснения измеренного темпа расширения Вселенной. Причем сильно: «недостача» составляла около 2/3 (по современным оценкам около 72%). Возможных объяснений этому факту было два: либо трехмерное пространство искривлено и недостающий вклад в параметр Хаббла связан с «упругостью» пространства, либо во Вселенной присутствует новая форма энергии, которую впоследствии и стали называть темной энергией.
Еще одной трудностью старой доброй космологической модели был возраст современной Вселенной. Эта модель давала для возраста значение около 9 миллиардов лет. В то же время возраст старых звездных скоплений оценивался (и сейчас оценивается) как 13-14 миллиардов лет. Неувязочка! Нужно сказать, что с проблемой не вполне справлялась и модель с искривленным пространством, в ней возраст - около 11 миллиардов лет (в модели с темной энергией - около 14 миллиардов лет, все хорошо). Эту трудность, впрочем, всерьез воспринимали немногие, а большинство рассчитывало, что «как-нибудь рассосется».
Куда ни кинь...
С теоретической точки зрения, обе возможности - и неевклидовость пространства, и темная энергия - выглядели крайне неправдоподобными.
Начнем с кривизны трехмерного пространства. В процессе расширения Вселенной пространство разглаживается, его кривизна уменьшается. Если кривизна отличается от нуля сейчас, то в прошлом она была больше, чем сегодня. Однако плотность энергии (массы) материи убывает при расширении Вселенной еще быстрее. Это означает, что в прошлом относительный вклад кривизны в параметр Хаббла был очень мал, а главным, с большим запасом, был вклад материи. Для того чтобы сегодня расширение Вселенной на 2/3 обеспечивалось кривизной, необходимо «подогнать» значение радиуса кривизны пространства в прошлом с фантастической точностью - через одну секунду после Большого взрыва он должен был быть равен одной миллиардной доле от тогдашнего размера наблюдаемой Вселенной, не больше и не меньше! Без такой подгонки кривизна сегодня была бы либо на много порядков больше, либо на много порядков меньше, чем необходимо для объяснения наблюдений.
Даже если отвлечься от гипотезы о том, что недостающий вклад в современный параметр Хаббла обеспечивается именно кривизной пространства, проблема кривизны все равно остается: в любом случае необходимо, чтобы кривизна была чрезвычайно мала на ранних стадиях, иначе она была бы слишком велика сегодня. Эта проблема была одним из главных соображений, приведших к представлению об инфляционной стадии эволюции Вселенной. Согласно инфляционной теории (предложенной А.Старобинским и независимо А.Гутом и сформировавшейся благодаря работам А.Линде, А.Албрехта и П.Стейнхардта), Вселенная па самом раннем этапе своей эволюции прошла через стадию чрезвычайно быстрого, экспоненциального расширения (раздувания, инфляции). По окончании этой стадии Вселенная разогрелась до очень высокой температуры, и наступила эпоха горячего Большого взрыва.
Хотя инфляционная стадия длилась, скорее всего, малую долю секунды, за это время Вселенная растянулась настолько, что ее размер стал гораздо больше размера той части, которую мы видим сегодня. Для нас важно, что в результате инфляционного растяжения пространства его радиус кривизны упал практически до нулевого значения. Таким образом, инфляционная теория приводит к предсказанию о том, что пространство современной Вселенной с высочайшей степенью точности евклидово. Это, конечно, идет вразрез с гипотезой о том, что Вселенная расширяется сегодня на 2/3 благодаря кривизне.
С темной энергией дело обстоит аналогичным образом, только еще хуже. Мы будем обсуждать различные гипотезы о природе темной энергии ниже, а здесь ограничимся следующим замечанием. Независимо от того, что представляет собой темная энергия, ее плотность может быть охарактеризована единственным параметром размерности энергии. Для соответствия наблюдательным данным значение этого параметра энергетического масштаба темной энергии должно быть примерно равно 0,002 электронвольт. В то же время известные фундаментальные взаимодействия - сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное - характеризуются своими энергетическими масштабами. Наименьший из них относится к сильным (ядерным) взаимодействиям и составляет около 200 миллионов электронвольт. Получается нестыковка в 100 миллиардов раз! Хуже всего, что этой нестыковке и вообще чрезвычайно малой величине темной энергии очень трудно найти объяснение.
Из-за трудностей с интерпретацией темной энергии более популярной в течение довольно долгого времени была та точка зрения, что за современный темп расширения Вселенной ответственна все же пространственная кривизна. Многие (хотя и далеко не все) физики никак не могли воспринять всерьез возможность того, что темная энергия действительно существует, и считали пространственную кривизну «меньшим из зол». Вопрос, как обычно, был решен экспериментом.
Вселенная расширяется с ускорением
Перелом наступил в 1998-1999 годах, когда две группы из США (одна под руководством А.Райсса и Б.Шмидта, а другая - С.Перлмуттера) сообщили о результатах наблюдений удаленных сверхновых типа 1а. Из этих наблюдений следовало, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Такое свойство вполне согласуется с представлением о темной энергии, в то время как неевклидовость пространства к ускоренному расширению не приводит. Тем самым был сделан однозначный выбор в пользу темной энергии, а гипотеза о неевклидовом трехмерном пространстве была отвергнута (мы еще ненадолго вернемся к ней).
Несколько слов о сверхновых типа 1а. Это - термоядерные взрывы, которыми заканчивается жизнь некоторых типов звезд. Детальное теоретическое описание этих взрывов до сих пор отсутствует, но на основании наблюдений ближних сверхновых были установлены эмпирические закономерности, позволяющие определить их абсолютную светимость, т.е. энергию, которую они излучают в процессе довольно короткой вспышки. Иными словами, сверхновые типа 1а представляют собой «стандартные свечи»: зная абсолютную светимость и измеряя видимую яркость (поток энергии, приходящий на Землю), можно определить расстояние до каждой из них - чем больше расстояние, тем меньше видимая яркость. Одновременно можно установить и скорость удаления от нас каждой из сверхновых (используя эффект Доплера). Сверхновые - очень яркие объекты, их видно на огромных расстояниях. Иначе говоря, удаленные сверхновые, которые мы наблюдаем сейчас, взорвались давным-давно, и поэтому скорость их убегания определялась темпом расширения Вселенной тогда, в далеком прошлом. Тем самым наблюдения сверхновых типа 1а позволяют определить темп расширения на сравнительно ранних этапах эволюции Вселенной (7 миллиардов лет назад и даже несколько раньше) и проследить зависимость этого темпа от времени. Именно это и дало возможность установить, что Вселенная расширяется с ускорением.
Сейчас имеется еще несколько наблюдательных результатов, никак не связанных со сверхновыми и независимо свидетельствующих об ускоренном расширении Вселенной. Например, сравнительно быстрое космологическое расширение препятствует формированию вновь образующихся объектов - крупных скоплений галактик. Галактики собираются в скопления под действием гравитационных сил, которыми они притягивают друг друга. Общее растяжение пространства, наоборот, заставляет галактики удаляться друг от друга и тем самым мешает им скучиваться. Ясно, что второй эффект тем сильнее, чем выше темп растяжения. При известной современной скорости расширения (параметре Хаббла) темп расширения в прошлом был меньше в ускоряющейся Вселенной по сравнению со Вселенной, расширяющейся с замедлением, и скоплений должно было образовываться больше. Подсчет количества крупных скоплений на разных расстояниях от нас (и, стало быть, образовавшихся в разное время) показывает, что скопления формировались действительно весьма охотно, в полном согласии с представлением об ускоренном расширении Вселенной и в противоречии с моделью замедляющейся Вселенной без темной энергии, но с пространственной кривизной. Упомянем еще об изучении особенностей в распределении галактик в пространстве - так называемых барионных акустических осцилляций.
Пространство - евклидово
Окончательное доказательство того, что неевклидовость трехмерного пространства, если она и есть, не играет сколько-нибудь существенной роли в расширении Вселенной, было получено путем измерения свойств реликтового излучения. Реликтовое излучение, пронизывающее сегодня нашу Вселенную, было испущено на довольно ранней стадии космологической эволюции. Дело в том, что Вселенная в прошлом была гораздо более плотной и горячей, чем сейчас. В процессе расширения она стала более разреженной и остыла; современная температура реликтового излучения составляет 2,726 кельвина.
На ранних стадиях вещество в горячей Вселенной было в состоянии плазмы - протоны сами по себе, электроны сами по себе. Такая среда непрозрачна для электромагнитного излучения, фотоны все время рассеиваются, поглощаются, излучаются электронами. Когда Вселенная остыла до 3000 градусов, электроны и протоны довольно быстро объединились в атомы водорода, и вещество стало прозрачным для фотонов. Эпоха перехода вещества из плазменного в газообразное состояние и является эпохой последнего излучения реликтовых фотонов. В это время возраст Вселенной составлял 370 тысяч лет (современный возраст - 13,7 миллиардов лет). С тех пор фотоны распространяются по Вселенной свободно, их длина волны увеличивается из-за растяжения пространства, и сегодня эти реликтовые фотоны представляют собой радиоволны.
Рис. 3. При температуре 3000 градусов вещество во Вселенной перешло из плазменного состояния в газообразное и стало прозрачным для фотонов. Рекомбинация произошла тогда, когда возраст Вселенной составлял 370 тысяч лет. Желтым цветом схематически изображены фотоны, по горизонтальной оси отложено время В эпоху излучения реликтовых фотонов Вселенная не была в точности однородной. Имевшиеся тогда неоднородности были зародышами структур - первых звезд, галактик, скоплений галактик. В то время неоднородности плазмы, как обычно для плотных сред, представляли собой звуковые волны. Важно, что в ту эпоху во Вселенной имелся характерный масштаб расстояний, который проявляется сейчас в свойствах излученных тогда реликтовых фотонов. Звуковые волны с большой длиной и, соответственно, малым периодом еще не успели развиться к эпохе излучения реликтовых фотонов, а волны с «правильной» длиной как раз успели попасть в фазу максимального сжатия. Эта правильная длина волны представляет собой «стандартную линейку» эпохи излучения реликтовых фотонов; ее размер надежно вычисляется в теории горячего Большого взрыва.
Рис. 4. Баланс энергий в современной Вселенной Неоднородность Вселенной эпохи последнего излучения реликтовых фотонов проявляется в том, что фотоны, излученные в разных местах, имеют немного разные температуры. Иными словами, температура фотонов зависит от направления на небесной сфере, с которого они к нам приходят. Эффект слабый: относительная разница температур в разных направлениях составляет около 1/10000. Тем не менее, этот эффект был надежно измерен. Более того, на рубеже XX-XXI веков впервые был измерен угол, под которым видна «стандартная линейка». Ясно, что этот угол зависит от геометрии пространства: если сумма углов треугольника превышает 180° , то и этот угол больше. В результате было выяснено, что наше трехмерное пространство с хорошей степенью точности евклидово. Последующие измерения подтвердили этот вывод. С точки зрения расширения Вселенной, существующие результаты означают, что кривизна пространства вносит пренебрежимо малый вклад (менее 1%) в параметр Хаббла. Темп расширения Вселенной на 70% обусловлен сегодня именно темной материей.
Продолжение
www.physbook.ru
Большая энциклопедия школьника
Большая энциклопедия школьникауникальное издание, содержащее весь свод знаний, необходимый ученикам младших классов. Для детей, собирающихся в 1-й класс, она послужит незаменимым помощником для подготовки к школе. В этой энциклопедии ребенок сможет найти любую интересующую его информацию, в понятном и простом для него изложении. Вы подбираете слова и определения для простых вещей, которые надо объяснить ребенку? Сомневаетесь в формулировках? Просто возьмите «Большую энциклопедию школьника» и найдите нужный ответ вместе с малышом!
Математика в стихах Развитие речи Азбука в картинках Игры на развитие внимания Как правильно выбрать школу Ваш ребенок левша Как готовить домашнее задание Контрольные и экзамены
Большая энциклопедия школьника - это твой надёжный путеводитель в мире знаний. Она проведёт сквозь извилистые лабиринты наук и раскроет завесу великих тайн Вселенной. С ней ты поднимешься высоко к звёздам и опустишься на дно самых глубоких морей, ты научишься видеть мельчайшие организмы и осязать огромные пространства Земли. Отправившись в это увлекательное путешествие, ты значительно расширишь свой кругозор и поднимешься на новую ступень развития. Отныне никакие вопросы учителей не смогут поставить тебя в тупик, ты сможешь найти выход из любой ситуации. Мир знаний зовёт тебя. В добрый путь!
| Ребенок не хочет учить буквы Ребенок не хочет учить буквы - Понимаете, ведь надо что-то делать! - с тревогой говорила мне полная, хорошо одетая дама, едва умещающаяся на стуле. Ее ноги в аккуратных лодочках были плотно сжаты (юбка до середины колена казалась слегка коротковатой для такой монументальной фигуры), руки сложены на коленях. - Ей же на тот год в школу, все ее сверстники уже читают, а она даже буквы ... | Past continuous passive Страдательный залог образуется с помощью вспомогательного глагола 'to be'. Страдательный залог глагола 'to repair' в группе 'continuous' : To be repaired = Быть исправленным. The road is being repaired = Дорогу чинят. The road is not being repaired = Дорогу не чинят. Is the road being repaired? = Чинят ли дорогу? The road was being repaired = Дорогу чинили. The road was not being repaired = Дорогу не чинили. Was the road being repaired? = Чинили ли дорогу? Страдательный ... |
| Определение формулы органического вещества по его молярной массе Задание: Определить формулу углеводорода, если его молярная масса равна 78 г. № п/п Последовательность действий Выполнение действий 1. Записать общую формулу углеводорода. Общая формула углеводорода СхНу 2. Найти молярную массу углеводорода в общем виде. М(СхНу)=12х +у 3. Приравнять найденное в общем виде значение молярной массы к данному в ... | У У ЗВУК (У). 1) Удобная буква! Удобно в ней то, Что можно на букву Повесить пальто. У – сучок, В любом лесу Ты увидишь букву У. 2) ФОНЕТИЧЕСКАЯ ЗАРЯДКА. - Как воет волк! ( у – у – у ) 3) ЗАДАНИЯ. а) Подними руку, если услышишь звук (у): паук, цветок, лужа, диван, стол, стул, голуби, курица. б) Где стоит (у)? Зубы, утка, наука, кенгуру ... |
for-schoolboy.ru
Вселенная, возникающая из пустоты | Журнал Популярная Механика
Флуктуации вакуума могут послужить причиной образования виртуальных протовселенных, которые при определенных условиях способны перейти из виртуального состояния в реальное.
Квантовая механика при всех своих парадоксах все же описывает свойства объектов, существующих в неискривленном ньютоновском пространстве. Будущая теория гравитации должна распространить вероятностные квантовомеханические законы на свойства самого пространства (точнее, пространства-времени), деформированного в соответствии с уравнениями общей теории относительности. Как это сделать с помощью строгих математических выкладок, никто еще толком не знает.
Холодное рождение
Однако пути к подобному объединению можно обдумать на качественном уровне, и здесь появляются весьма интересные перспективы. Одну из них рассмотрел известный космолог, профессор Аризонского университета Лоуренс Краусс в своей недавно изданной книге «A Universe From Nothing» («Вселенная из ничего»). Его гипотеза выглядит фантастической, но отнюдь не противоречит установленным законам физики.
Считается, что наша Вселенная возникла из очень горячего начального состояния с температурой порядка 1032 кельвинов. Однако возможно представить и холодное рождение вселенных из чистого вакуума — точнее, из его квантовых флуктуаций. Хорошо известно, что такие флуктуации порождают великое множество виртуальных частиц, буквально возникших из небытия и впоследствии бесследно исчезнувших. Согласно Крауссу, вакуумные флуктуации в принципе способны давать начало столь же эфемерным протовселенным, которые при определенных условиях переходят из виртуального состояния в реальное.
Вселенная без энергии
Что для этого нужно? Первое и главное условие — зародыш будущей вселенной должен иметь нулевую полную энергию. В этом случае он не только не обречен на практически мгновенное исчезновение, но, напротив, может просуществовать сколь угодно долго. Это связано с тем, что, согласно квантовой механике, произведение неопределенности величины энергии объекта на неопределенность его времени жизни не должно быть меньше конечной величины — постоянной Планка.
Разделение фундаментальных взаимодействий в нашей ранней Вселенной носило характер фазового перехода. При очень высоких температурах фундаментальные взаимодействия были объединены, но при остывании ниже критической температуры разделения не произошло (это можно сравнить с переохлаждением воды). В этот момент энергия скалярного поля, связанного с объединением, превысила температуру Вселенной, что наделило поле отрицательным давлением и послужило причиной космологической инфляции. Вселенная стала очень быстро расширяться, и в момент нарушения симметрии (при температуре около 1028 К) ее размеры увеличились в 1050 раз. В этот момент исчезло и скалярное поле, связанное с объединением взаимодействий, а его энергия трансформировалась в дальнейшее расширение Вселенной.
Коль скоро энергия объекта строго равна нулю, она известна без всяких неопределенностей, и потому время его жизни может быть бесконечно большим. Именно благодаря этому эффекту два заряженных тела, расположенных на очень больших расстояниях, притягиваются или отталкиваются друг от друга. Они взаимодействуют благодаря обмену виртуальными фотонами, которые, в силу своей нулевой массы, распространяются на любые дистанции. Напротив, калибровочные векторные бозоны, переносящие слабые взаимодействия, в силу большой массы существуют лишь около 10-25 секунды, вследствие чего эти взаимодействия обладают очень малым радиусом.
Что же за вселенная, пусть и эмбриональная, с нулевой энергией? Как объяснил «Популярной механике» профессор Краусс, в этом нет ничего мистического: «Энергия такой вселенной складывается из положительной энергии частиц и излучений (и, возможно, также скалярных вакуумных полей) и отрицательной потенциальной энергии тяготения. Их сумма может быть равна нулю — математика это допускает. Однако очень важно, что такой энергетический баланс возможен лишь в замкнутых мирах, пространство которых имеет положительную кривизну. Плоские и тем более открытые вселенные таким свойством не обладают».
Фазовый переход происходил в эволюции Вселенной три раза: при температуре 1028 K (распалось Великое объединение взаимодействий), 1015 К (распад электрослабого взаимодействия) и 1012 K (кварки стали объединяться в адроны).
Чудеса инфляции
Что произойдет, если квантовые флуктуации вакуума породят виртуальную вселенную с нулевой энергией, которая в силу квантовых случайностей получила какое-то время для жизни и эволюции? Это зависит от ее состава. Если пространство вселенной заполнено веществом и излучением, она сначала будет расширяться, достигнет максимального размера и схлопнется в гравитационном коллапсе, просуществовав лишь ничтожную долю секунды. Другое дело, если в пространстве имеются скалярные поля, способные запустить процесс инфляционного расширения. Существуют сценарии, в которых это расширение не только предотвращает гравитационный коллапс «пузырьковой» вселенной, но и превращает ее в почти плоский и безграничный мир. Тем самым неизмеримо вырастает и время ее жизни — практически до бесконечности. Таким образом, крошечная виртуальная вселенная становится вполне реальной — огромной и долгоживущей. Даже если ее возраст конечен, он вполне может намного превысить нынешний возраст нашей Вселенной. Поэтому там могут появиться звезды и звездные скопления, планеты и даже, чем черт не шутит, разумная жизнь. Полноценное мироздание, возникшее буквально из ничего — вот на какие чудеса способна инфляция!
Статья «Миры из пустоты» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2012).www.popmech.ru
Реликтовое излучение
Реликтовое излучение не возникло в каких-либо источниках, подобно свету звезд или радиоволнам, родившимся в радиогалактиках. Реликтовое излучение существовало с самого начала расширения Вселенной. Оно было в том горячем веществе Вселенной, которое расширялось от сингулярности.
Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников, вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметре Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов 500 штук в см3.
Напомним, что средняя плотность обычного вещества во Вселенной около 10-30 г/см3. Это значит, что, если бы мы “размазали” все вещество равномерно в пространстве, то в одном кубическом метре был бы всего один атом водорода — наиболее распространенного элемента Вселенной. В то же время в кубическом метре содержится около миллиарда фотонов реликтового излучения.
Таким образом, кванты электромагнитных волн, эти своеобразные частички, распространены в природе гораздо больше, чем обычное вещество. Реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем тяжелых частиц протонов. Если мы учтем, помимо водорода, и другие химические элементы, в состав ядер которых входят не только протоны, но и нейтроны, то это практически ничего не изменит в нашей оценке, так как водород — главный элемент в природе. Итак, 109 реликтовых фотонов на одну тяжелую частицу.
Мы знаем, что сегодня в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства около 500 фотонов, летящих с предельной скоростью во всех направлениях. Каждый фотон имеет свою энергию, соответствующую его частоте. При температуре 3° Кельвина большинство фотонов имеет энергию 10-15 эрг каждый. Значит, в каждом кубическом сантиметре имеется энергия реликтового излучения, равная произведению 10-15 эрг на 500, то есть 5 *10-13 эрг. Согласно закону Эйнштейна каждой энергии соответствует масса. Энергии 5*10-13 эрг соответствует масса 5 * 10-34 грамма. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре в наши дни есть 5 • 10-34 грамма реликтового излучения.
Напомним, что обычного вещества на каждый кубический сантиметр приходится в среднем 10-30 грамма. Значит, по массе вещества в две тысячи раз больше, чем реликтового излучения. Поэтому, хотя по числу штук фотонов гораздо больше, по общей массе обычное вещество сильно преобладает над реликтовым излучением. Масса реликтового излучения пренебрежимо мала.
Проследим, что было и с теми, и с другими частицами в прошлом.
В обозримом прошлом ни те ни другие частички не рождались и не исчезали. Здесь необходимы некоторые уточнения. Первое из них относится к реликтовым фотонам. Сегодняшняя Вселенная практически прозрачна для реликтового излучения. Ясно, что реликтовые фотоны в современной Вселенной в подавляющем большинстве не взаимодействуют с веществом и не могут из-за этого меняться в числе. В далеком прошлом, когда плотность вещества была велика, была велика и температура. Вещество Вселенной было ионизовано и являлось почти однородной плазмой. Оно тогда было непрозрачным для излучения. Реликтовые фотоны активно взаимодействовали с веществом. Но сколько фотонов в какой-то малый промежуток времени поглощалось в толще вещества, столько же этим горячим веществом и рождалось! Существовало, как говорят, равновесие между излучением и веществом. Поэтому и в этот период соотношение — миллиард реликтовых фотонов на один протон — оставалось справедливым.
Второе уточнение относится к протонам.
В своем далеком прошлом, в самые первые мгновения после начала расширения, во Вселенной было так горячо, что при температуре больше десяти тысяч миллиардов градусов столкновение частиц рождало протоны и их античастицы — антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Ко всему этому мы еще вернемся. Пока мы не обращаемся к экзотическим первым мгновениям, можно считать, что и реликтовые фотоны и тяжелые частицы являются не рождающимися и не исчезающими.
Помня это, отправимся в прошлое. В прошлом плотность числа и тех и других частиц была, конечно, больше, чем сейчас, и возрастали эти плостности при углублении в прошлое в одинаковое количество раз. Значит, остается неизменным их отношение: один протон на миллиард фотонов.
Но между фотонами и тяжелыми частицами есть огромная разница. Масса тяжелых частиц все время неизменна. А энергия фотонов с расширением Вселенной уменьшается из-за красного смещения. Раз меняется энергия, значит, меняется и масса каждого фотона (эта масса целиком связана с энергией его движения). Раньше каждый фотон был энергичнее, а значит, и тяжелее.
В некоторый момент в прошлом суммарная масса миллиарда потяжелевших фотонов, приходящихся на один протон, сравнивается с массой этого протона.
В этот момент в прошлом в каждом кубическом сантиметре масса обычного вещества и масса реликтового излучения сравниваются. Произошло это, когда плотность вещества (и равная ей тогда плотность излучения) была 10-20 г/см3, температура излучения и вещества тогда была около 6 тысяч градусов. Реликтовое излучение было не радиоволнами, а видимым светом. Конечно, в эту эпоху не было отдельных небесных тел, они возникли существенно позже. А еще раньше?
Еще раньше масса реликтового излучения превосходила массу обычного вещества!
Вот такое было совершенно необычное состояние. Его называют эрой фотонной плазмы.
То, о чем мы будем говорить в последующих строках, покажется кадрами из фантастического фильма. Мы подойдем к моменту начала расширения на ничтожные доли секунды — меньше одной стотысячной доли — и встретимся с совершенно необычными процессами.
На ранних стадиях расширения основную долю массы физической материи во Вселенной составляет свет и, анализируя эту стадию, мы можем на время забыть о ничтожной доли примеси к квантам света частиц обычного вещества, того вещества, которое играет основную роль в наше время, из которого состоят звезды, планеты и мы сами.
Продолжим путешествие в прошлое к сингулярности. Например, через одну секунду после начала расширения температура была десять миллиардов градусов. При меньшем времени температура еще больше. При такой огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов и аннигиляции пар электронов и позитронов с превращением в кванты света — фотоны.
Для рождения пары электронов и позитронов надо затратить энергию, равную как минимум сумме масс этих частиц, умноженную на квадрат скорости света (формула Е = МС2). Следовательно, такие процессы могут идти лишь при температуре выше десяти миллиардов градусов, когда много квантов света обладает подобными энергиями. Столкновения электронов и позитронов могут вести к рождению нейтрино и антинейтрино, возможна также и обратная реакция — столкновение нейтрино и антинейтрино рождает пару электрон — позитрон. Когда температура еще выше, возможно рождение более тяжелых частиц: протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, мезонов и других.
При температурах выше десяти тысяч миллиардов градусов существовало примерно в равных количествах множество сортов частиц (и в равных количествах их античастиц), в том числе и с большой массой. По мере расширения температура падала, и энергии частиц не хватало для рождения пар тяжелых частиц и античастиц, например, таких, как протон и антипротон. Эти частицы “вымирали”.
При дальнейшем уменьшении температуры “вымирают” разные виды мезонов.
Очень важное событие происходит при времени около 0,3 секунды после начала расширения. В этот момент присутствуют кванты света, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино (для простоты мы говорим только об одном сорте нейтрино — об электронных нейтрино).
При высокой температуре нейтрино и антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно.
Однако нейтрино — частицы, очень слабо взаимодействующие с другими объектами, для них даже плотное вещество прозрачно. И вот при 0,3 секунды после начала расширения все вещество Вселенной, включая и электроны и позитроны, становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом. В дальнейшем их число не меняется, и они сохраняются вплоть до наших дней, только их энергия должна упасть из-за красного смещения при расширении точно так же, как температура квантов электромагнитного излучения.
Таким образом, в нашу эпоху во Вселенной, помимо реликтового электромагнитного излучения, должны существовать реликтовые нейтрино и антинейтрино. Энергия этих частиц должна равняться примерно энергии квантов сегодняшнего реликтового электромагнитного излучения, и концентрация их также примерно совпадает с концентрацией реликтовых квантов.
Экспериментальное обнаружение реликтовых нейтрино представляло бы огромный интерес. Ведь для нейтрино Вселенная прозрачна, начиная с долей секунды после начала расширения. Обнаружив реликтовое нейтрино, мы могли бы непосредственно заглянуть в далекое прошлое Вселенной, информацию о которой несут эти частицы.
К сожалению, обнаружение нейтрино столь низких энергий, какими должны быть реликтовые нейтрино, пока практически невыполнимая задача.
В связи с этим напомним, что на наших глазах рождается нейтринная астрономия. Мы стоим на пороге систематического исследования потоков нейтрино, рождающихся при ядерных реакциях вблизи центра Солнца. Эти нейтрино позволяют непосредственно заглянуть в центр Солнца, так как вся масса Солнца для них абсолютно прозрачна." Нейтринное “просвечивание” Солнца позволит уточнить наши знания о его внутреннем строении. Точно так же в будущем астрофизикам предстоит осуществить нейтринное “просвечивание” нашей Вселенной.
Итак, мы посмотрели, что было во Вселенной с веществом и излучением в первую секунду. Как ни фантастична кажется возможность рассчитывать процессы в первую секунду с начала расширения, но современная физика позволяет это делать с полной надежностью.
Новиков И.Д.
www.o8ode.ru
