19.12.2013 г.

  На главную раздела "Научные работы"


Само название статьи указывает нам на удручающий сценарий фатального завершения жизни нашей Вселенной.

К подобным пессиместическим выводам привели последние исследования абсерватории «Планк» из которых, наряду с наблюдениями сверхновых и изменениями параметра Хабла следует, что наша Вселенная в настоящее время расширяется с ускорением, которое в конечном счёте может закончится драматическим сценарием ее исчезновения, как материального объекта, иначе говоря ее «смерти».

С давних пор ведется спор о стабильности Вселенной. Так, ещё Ньютон понимал (n-t.ru/tp/mr/pv.htm), что по его теории тяготения звёзды должны притягиваться друг к другу и поэтому должны упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке... Ньютон говорил, что так действительно должно было быть, если бы у нас было лишь конечное число звёзд в конечной области пространства. Но...если число звёзд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдёт, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать. Таким образом, Ньютон объяснил гравитационную устойчивость Вселенной.

Такая модель устойчивости просуществовала до второй половины 19-ого века. В этот период с развитием кинетической теории газов появился иной подход к объяснению эволюции Вселенной. Данный подход был разработан Р.Клаузиусом в 1865 году (ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_смерть_Вселенной). Исходя из второго начала термодинамики Клаузиус пришел к выводу о том, что Вселенную ждёт тепловая смерть. Согласно второму началу, любая замкнутая физическая система (система не обменивающаяся энергией с другими системами), а к таковой он относил и всю Вселенную, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию – состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной.

Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л.Больцмана (1872 год), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.

В последствии А.Эйнштейн также столкнулся с проблемой устойчивости Вселенной (theorphysics.info/load/24-1-0-397). Его модель замкнутой Вселенной приводила к возможности гравитационного коллапса. Эйнштйн решил данную проблему введением в уравнения ОТО так называемой космологической постоянной l . Введение данной величины предпологало наличие кроме сил притяжения также и сил отталкивания, которые, компенсируя силы притяжения на определённом этапе развития Вселенной обеспечивали бы её стационарность. Эйнштейн предположил, что в пространстве кроме обычного гравитирующего вещества имеется ещё некоторая однородно распределённая стационарная антигравитирующая (т.е. отталкивающая) среда с необычным уравнением состояния: p =-rс? т.е. с отрицательным давлением (где p-давление, r-плотность, с-скорость света). А.Эйнштейн ввёл это предположение до открытия расширения Вселенной: отталкивающее действие среды могло компенсировать гравитацию; отсюда следовала теоретическая возможность стационарного мира. После провидения астрономических наблюдений, произведённых в 1929 году американским астрономом Э.Хабблом было установлено расширение Вселеной, после чего Эйнштейн признал введения l-члена ошибочным. Однако в последние годы l-член вновь получил возрождение для объяснения расширения Вселенной.

В настоящее время причиной ускоренного расширения Вселенной считают тёмную энергию, которая по оценкам абсерватории «Планк» составляет 68,3 процента массы Вселенной.

Природа тёмной энергии до сих пор окончательно не определена. Извесно, что она равномерно распределена, имеет низкую плотность порядка 10 в минус двадцать девятой степени граммов на кубический сантиметр. Она не взаимодействует сколько-нибудь заметно посредством известных фундаментальных типов взаимодействия – за исключением гравитации.

Существуют две главные модели, объясняющие природу тёмной энергии (www.coolreferat.com/Тёмная_энергия.Тёмная_материя): «космологическая константа» и «квинтэссенция». По первой модели пространство Вселенной равномерно заполнено энергией вакуума (энергией колебаний виртуальных фотонов электрон-позитронных пар и других пар частиц и античастиц), плотность которой и соответствует космологической константе, введённой Эйнштейном в качестве параметра l. Согласно данной модели, космологическая константа имеет отрицательное давление равное её энергетической плотности. В свою очередь, отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной.

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы – на многие порядки превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы. Такова проблема «космологической константы»: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии.

Альтернативный подход исходит из предположения, что тёмная энергия – это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссэнцией. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материии, она должна быть очень легкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

По имеющимся оценкам ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодоря гравитационному действию тёмной и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшалась быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начала преобладать. Например, когда объём Вселенной увеличивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остаётся почти неизменной (или точно неизменной – в варианте с космологической константой).

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т.н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющаяся сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационносвязанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Хлопку». Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя все эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвегаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной «развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть как точные измерения темпа ускорения, так и в особенности, что всё-таки, является причиной ускоренного расширения Вселенной: или это космологическая константа - l, или квинтэссенция и фонтомная энергия, или какой-то иной фактор?

Несмотря на достигнутые результаты проведённых в последнее время исследований вопросы, касающиеся роли тёмной энергии и тёмной материи в эволюции Вселенной остаются пока до конца не решенными. Так, например астрономические наблюдения тёмной галактики UGC 10214 показывают (www.astrolab.ru/cgi-bin/galery.cgi?id=3&no=579), что из неё происходит отток вещества, так, как если бы она взаимодействовала с другой галактикой. Но эта галактика невидима, и поток вещества течёт как бы в никуда. Другим примером служит астрономический объект MACSJ0025.4-1222 (www.astronet.ru/db/msg/1229578), являющийся столкновением двух массивных скоплений галактик. С одной стороны в нём было обнаружено наличие тёмной материи. С другой, было обнаружено необычное поведение газа и тёмной материи. Раньше считалось, что во всех процессах тёмная материя должна увлекать за собой газ, однако в объекте MACSJ0025.4-1222 поведение газа и тёмной материи диаметрально противоположно.

Но, пожалуй наиболее удивительным, в этой связи, является космический объект Abell 520, гигантское скопление галактик, которое находится на стадии столкновения с другим галактическим скоплением – наиболее массивное образование во Вселенной. Объединёнными усилиями самых современных научных инструментов наиболее крупных абсервоторий был создан комбинированный снимок этого космического образования. Конечный результат этой работы весьма удивил астрономов: тёмная материя, окружающая этот объект ведёт себя очень странно (http://astronomy.net.ua/uploads/posts/1188367203_20070816collision.jpg).

Астрономы были уверены, что во время гигантских космических столкновений, подобных этому, тёмная материя и галактики должны находиться рядом друг с другом, даже во время наиболее сильных катостроф. Фактом, подтверждающим это, является столкновение так называемого скопления «Пули». Здесь наблюдаемые данные полностью сходятся с теоретическими предположениями.

Астрономы нашли участок тёмной материи в скоплении, которое содержит горячий газ, но ни одной галактики. По какой-то причине, галактики были удалены из самой плотной части сгустка невидимого вещества. Астрономы Dr.Hendrik Hoekstra из университета Viktoria так описывает это открытие: «Все это выглядит похожим на то, что галактики просто удаляются из самой плотной(центральной) части сгустка тёмной материи. Мы впервые увидели подобное поведение невидимого вещества, и это новая загадка для астрономов». Всё происходит так, как будто в этой части Вселенной произошел миниатюрный взрыв.

Вышеприведённые примеры говорят о том, что вопреки существующим представлениям, тёмная материя является отталкивающим, а не гравитационно притягивающим фактором для обычной барионной материи. С позиции представлений о тёмной материи как об отталкивающей, обладающей отрицательным давлением среде находит объяснение иной механизм расширения Вселенной. Данный механизм заключается в том, что тёмная материя создаёт в окружающем её пространстве положительное потенциальное поле отталкивания (в отличие от отрицательного потенцального поля гравитационного притяжения), которое расталкивает галактики и их скопления, обуславливая тем самым расширение Вселенной (http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/13182.html).

Если такой механизм имеет место в действительности, а это могу подтвердить дальнейшие астрономические наблюдения, то необходимость в привлечении так называемой тёмной энергии для объяснения расширения Вселенной может отпасть. С другой стороны, с данной точки зрения эволюцию Вселенной следует рассматривать как эволюцию дуальной системы, состоящей из обычной и тёмной материи единство и противоборство между которыми могут приводить как к процессам расширения, так и сжатия (sir35.ru/o_prirode_gravitatcii1) , взависимости от того, действие какой материи будет преобладать на том или ином этапе эволюции Вселенной.

В этой связи, представляют интерес недавние исследования анизотропии реликтового излучения, проведённые известным английским физиком Роджером Пенроузом совместно с армянским коллегой Вахе Гурзадяном из Ереванского физического института(www.yerkramas/2010/11/30/penrouz-i-gurzadyan-zaglyanuli-vo-vselennuyu-do-bolshogo-vzryva/). Они заявили об обнаружении на картах микроволнового фона правильных структур в виде концентрических кругов (в которых диапазон температур заметно меньше, чем в других местах), свидетельствующих о том, что анизотропия реликтового излучения не носит абсолютно случайный характер. Учёные считают, что эти круги связаны с крупномасштабными катастрофами – результатами слияний сверхмассивных чёрных дыр, которые, падая друг на друга по спирали, теряли энергию путём испускания гравитационных волн. Причём, некоторые из кругов, согласно расчётам, связаны с событиями, которые должны были произойти до момента Большого Взрыва (момента, который прежде интерпретировали как быстрое расширение из сингулярности, то есть точки с бесконечной плотностью). Однако это не означает, что Большого Взрыва не было. Скорее всего, следует говорить о том, что подобные взрывы случались многократно. Пенроуз и Гурзадян являются стороннниками теории циклической Вселенной, в которой один эон сменяется другим, проходя через «триггеры» больших взрывов, которые разделяют разные эоны. Эти процессы могут повторяться бесконечно. Выявленное слияние чёрных дыр, вероятно, произошло на самых последних стадиях предыдущего эона, который после Большого Взрыва сменился уже нашим, в котором мы сейчас живём.

Возможно, что пройдя стадии расширения и сжатия в нашем пространстве Вселенная перейдёт в другое, ортогональное к нашему пространство (sir35.ru/temnaya_materiya1), где совершив те же циклы расширения и сжатия она вновь возратится в наше пространство, пережив тем самым своеобразную реинкарнацию.

Очевидно, не всё так уж и безнадёжно с будущим нашей Вселенной, как прогнозируется в комментируемой статье. Пройдя через жернова подобного рода перевоплащения, мы вновь обретём нашу Вселенную с её галактиками звёздами и планетами, на которых снова будет процветать жизнь. Ведь, как считает известный английский физик и космолог Стивен Хокинг, информация при гравитационном коллапсе не исчезает, а она, как извесно, является програмной первоосновой строительства всего сущего в нашем мире.

И в заключении хотелось бы сделать некоторые незначительные замечания в адрес комментируемой статьи.

1. В статье приводится значение температуры микроволнового фонового излучения в градусах, но не указано, что в градусах Кельвина.

2. Говорится, что причиной ускорения является тёмная энергия, которую астрономы открыли в 90-е годы на основе взрывов сверхновых звёзд. Астрономы не открыли тёмную энергию. Они постулировали существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. Её и назвали тёмной энергией.

Но в целом статья, несомненно, может представить интерес для широкого круга, читателей. В ней в популярной, доступной форме представлены новейшие научные достижения в области космологии.

Не радует прогноз, однако, сколько подобного рода прогнозов мы уже пережили на нашей Земле. И, как говорят...- слава Богу, что они не сбылись!

 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить