06.03.2012 г.

  На главную раздела "Научные работы"


          В последнее время, в связи с новыми открытиями, как в области астрофизики, так и в области исследования микромира наметились новые горизонты, заставляющие пересмотреть существующие представления об окружающем нас мире. К наиболее значимым открытиям в этой связи можно отнести открытие так называемой тёмной материи и тёмной энергии, доля которых в общей массе Вселенной составляет 95 %. При этом приблизительно 25 % массы Вселенной приходится на долю тёмной материи, в то время как 70 % — на долю тёмной энергии.

          Что касается тёмной материи, то на сегодняшний день известно только то, что она состоит из тяжёлых частиц, практически никак не взаимодействующих с обычным веществом и никак себя не проявляющих ни в электромагнитном излучении и поглощении, ни в ядерных взаимодействиях и так далее. В чём она себя проявляет, так это только в гравитационном взаимодействии с обычной массой.

          Наличие тёмной материи подтверждается рядом астрономических наблюдений. Так, ещё в 1937 году известный швейцарский астроном Фриц Цвикки обратил внимание на то, что галактики ведут себя не совсем так, как должны, если реконструировать их движение, опираясь только на наблюдения астрономов. Чтобы закономерности вращения галактик вписывались в наблюдения, необходимо допустить наличие огромного количества ненаблюдаемой, тёмной материи (скрытой массы), которая способна только на гравитационное взаимодействие и не участвует ни в каких других.

          Из чего состоит тёмная материя — пока загадка. Интересным в этой связи является эксперимент, проведённый в 2008 году на «Теватроне» (Phys.Lett.102,031801(2009):Search for Hig…), который до постройки БАКа (наиболее мощного ускорителя частиц, построенного в Швейцарии) был самым большим в мире ускорителем протонов; была, судя по всему, обнаружена не вписывающаяся в рамки Стандартной модели частица, существование которой было предсказано группой американских теоретиков. Эксперименты нуждаются в уточнении, и на БАК, в этом смысле, возлагаются большие надежды.

          К ряду экспериментов, в которых также получило доказательство существование тёмной материи, можно отнести проведённые в последнее время эксперименты по обнаружению избытка высокоактивных электронов и позитронов, что может быть следствием аннигиляции частиц тёмной материи. Источник происхождения высокоактивных частиц неизвестен, но учёные уверены в его близости к Солнечной системе: менее килопарсека. Близость источника высокоактивных частиц объясняется тем, что во время путешествия сквозь галактику такие частицы быстро теряют энергию и к моменту прохождения расстояния в один килопарсек их уже нельзя назвать высокоактивными. Учёные пока затрудняются определить, что это за источник. Одним из наиболее приемлемых предположений является гипотеза о том, что таким источником является тёмная материя.

          В последнее время также было получено дополнительное экспериментальное подтверждение наличия тёмной матери по наблюдаемой неоднородности реликтового, фонового излучения. В физике существует ряд теорий под названием теории «Калуцы-Клейна», которая, в частности, обосновывает расширение известного нам трёхмерного пространства до пяти — и даже восьмимерного. Популярное, но ещё не доказанное объяснение невозможности наблюдения за тёмной материей привычными средствами: частицы, формирующие тёмную материю, находятся в нескольких «дополнительных» измерениях. Мы ощущаем их присутствие с помощью силы притяжения, но не можем ни увидеть их, ни определить каким-либо другим способом.

          Каким образом тёмная материя может являться источником космических лучей? Дело в том, что частицы Калуцы-Клейна обладают удивительным свойством — они являются одновременно частицами и античастицами. Когда две частицы сталкиваются, они поглощают друг друга, образуя пучок высокоактивных протонов, электронов и позитронов. Данные частицы не теряются в скрытых от нас измерениях, а материализуются в нашем трёхмерном пространстве, где их и улавливают высокочувствительные детекторы, определяя их как «космические лучи».

          Другим не менее, а возможно и более загадочным объектом исследования учёных является тёмная энергия.

          Тёмная энергия была открыта в 1998 году двумя независимыми группами исследователей — астрономов и астрофизиков: первая под руководством Сол Перлмуттера (США), вторая под руководством Бриан Шмидта (Австралия). Наблюдая удалённых на очень большие расстояния (несколько миллиардов световых лет) сверхновые звёзды, они обнаружили, что эти звёзды имеют меньшую яркость, чем ожидалось; это означало, что данные объекты удаляются от нас с ускорением, причину которого и назвали тёмной энергией.

          В научной литературе термин «тёмная энергия» был введён для обозначения физической среды, заполняющей всю Вселенную. В отличие от различных видов вещества и излучения, тёмная энергия присутствует повсюду и от неё никак нельзя заэкранироваться. Она не испускает и не поглощает никакого электромагнитного излучения. С обычным веществом она взаимодействует только через гравитацию. Слово же «энергия» противопоставляет эту среду структурированной, т. е. состоящей из частиц материи, подчёркивая, что она не участвует в процессах гравитационного скучивания, ведущего к образованию галактик и их скоплений. Иными словами, плотность тёмной энергии в отличие от обычного и тёмного вещества одинакова во всех точках пространства.

          Существует множество теоретических моделей, согласно которым тёмная энергия представляется как различные разновидности физического вакуума. В частности, некоторые из них рассматривают введённый в своё время Альбертом Эйнштейном так называемый λ-член как величину, определяемую плотностью энергии физического вакуума (http://www.ras.ru/digest/fdigestlist/bulletin.aspx). λ-член был введён Эйнштейном для построения модели стационарной Вселенной. Введение данной величины предполагало наличие кроме сил притяжения 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 = -ρс, где ρ — плотность антигравитирующего вещества, с — скорость света. Отталкивающее действие указанной среды могло компенсировать гравитацию; отсюда следовала теоретическая возможность стационарного мира. Однако после работ нашего соотечественника А. А. Фридмана (1922 г.) и астрономических наблюдений (проведённых в 1929 году американским астрономом Э. Хабблом), было установлено расширение Вселенной, после чего Эйнштейн признал введение λ-члена ошибочным. Возрождение роли λ-члена произошло в последние годы XX века, когда астрономическими наблюдениями было установлено, что Вселенная в разные периоды своей эволюции расширялась с различным ускорением. В этой связи, учёными была предложена инфляционная теория расширения Вселенной.

          Согласно инфляционной теории, рождение Вселенной должно описываться в терминах ещё не созданной квантовой теории гравитации. Понятие «возраст Вселенной» имеет смысл для моментов времени не раньше 10-43 секунды. На меньших масштабах нельзя говорить о привычном для нас линейном течении времени. Топологические свойства пространства тоже становятся нестабильными, флуктуирующими. В научной литературе такое состояние пространства-времени с флуктуирующей топологией называется квантовой пеной.

          По неизвестным пока причинам, возможно, из-за квантовой флуктуации, в пространстве Вселенной возникает физическое поле, которое в возрасте около 10-35 секунд заставляет Вселенную расширяться с колоссальным ускорением. Этот процесс называется инфляцией, а вызывающее его поле — инфлантоном. В конце этого периода ускоренного расширения, запасённая в инфлантоне энергия порождает известную нам материю, разогретую до огромной температуры смесь излучения и массивных частиц, а также едва заметную на их фоне тёмную энергию. Можно сказать, что это и есть Большой взрыв. Этот период космологи называют как начало радиационно-доминированной эпохи в эволюции Вселенной, поскольку большая часть энергии в это время приходится на излучение. Расширение Вселенной продолжается (хотя теперь и без ускорения). Ничтожная плотность тёмной энергии не меняется со временем, плотность вещества падает обратно пропорционально объёму Вселенной, а плотность излучения снижается ещё быстрее. В итоге, через 300 тысяч лет доминирующей формой материи во Вселенной становится вещество, большую часть которого составляет вещество тёмной материи (скрытой массы). С этого момента рост возмущений плотности вещества становится достаточно быстрым, чтобы привести к образованию галактик и их скоплений. Движущей силой этого процесса является гравитационная неустойчивость, приводящая к скучиванию вещества. До этого излучение мешало проявлению данной неустойчивости. Теперь основную роль начинает играть тёмная материя. Под действием собственной гравитации области повышенной плотности останавливаются в своём расширении и начинают сжиматься, в результате чего из тёмной материи образуются гравитационносвязанные системы, называемые гало. В гравитационном поле Вселенной образуются «ямы», в которые устремляется обычное вещество. Накапливаясь внутри гало, оно формирует галактики и их скопления. Этот процесс начался более 10 миллиардов лет и шёл по нарастающей, пока не наступил последний перелом в эволюции Вселенной. Через 7 миллиардов лет плотность вещества, которая продолжает снижаться из-за космологического расширения, стала меньше плотности тёмной энергии. Завершилась эпоха доминирования вещества, и теперь тёмная энергия контролирует эволюцию Вселенной.

          Какова бы ни была физическая природа тёмной энергии, проявляется она в том, что космологическое расширение вновь, как в эпоху инфляции, начнёт ускоряться, только на этот раз очень медленно. Но этого достаточно, чтобы затормозить образование структур (звёзд, галактик, скоплений), а в будущем и вовсе прекратить этот процесс. Временное «окно», в котором работает гравитационная неустойчивость, захлопнется уже через десяток миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от природы «тёмной энергии». Если в этом играет роль космическая постоянная λ, то ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же тёмная энергия — это сверхслабое скалярное поле, то после того как оно достигнет состояния равновесия, расширение Вселенной станет замедляться, а возможно, и сменится сжатием.

          Таким образом, всё зависит от того, что из себя представляет та среда, которая отвечает за расширение Вселенной. Как говорят космологи, это среда, давление которой равно плотности энергии по величине, но противоположно по знаку. Так на протяжении многих лет физики описывают физический вакуум. Физический вакуум — это среда, которая может находиться в различных состояниях, отличающихся различной плотностью энергии и в разных видах вакуума элементарные частицы ведут себя по-разному. Наш обычный вакуум обладает наименьшей энергией. Экспериментально обнаружено существование неустойчивого, более энергетического вакуума, который соответствует электрослабому взаимодействию. Он начинает проявляться при энергиях частиц свыше 100 гэв.

          Можно предположить, что наш обычный вакуум обладает не нулевой плотностью энергии, а такой, которая даёт нужное значение λ-члена в уравнении Эйнштейна. Однако эта энергия всего около тысячной доли электронвольта, т. е. лежит в диапазоне инфракрасного и радиоизлучений, уже давно изученных физиками. Поэтому исследователи склоняются к тому, что тёмная энергия — это проявление нового и пока не обнаруженного в лабораторных условиях сверхслабого поля.



 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить