Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Определение 1

Звезды темной энергии — это гипотетический космический объект, обладающий некоторыми свойствами, которые присутствуют у черных дыр.

Теорию о существовании подобных космических объектов предложил Дж. Чаплин. В соответствии с данной теорией любая материя или излучение, попадающее внутрь звезды черной энергии, становится энергией вакуума или темной энергией.

Внешняя оболочка звезды темной энергии называется горизонтом событий.

Внутреннее пространство звезды черной энергии обладает отличной от нуля космологической постоянной, что означает: вещество, проникшее внутрь данной звезды, станет сопротивляться гравитации, при этом будет отсутствовать состояние сингулярности.

Иначе говоря:

  • На первом этапе звезды темной энергии ведут себя подобно черным дырам, поглощая вещество и излучение.
  • После наступления насыщения, звезда отталкивает вещество (излучение). Состояние сингулярности отсутствует.

Теория Чаплина объясняет противоречия, которые появляются между теориями возникновения черных дыр и законами квантовой физики. Понятие черной дыры плохо совмещается с основными законами квантовой механики:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • Так, черная дыра поглощает абсолютно все, а в соответствии с квантовой механикой информация исчезать не может.
  • Законы квантовой механики полагают, что время не изменяет свой ход, а в модели черной дыры световая волна на уровне горизонта событий растягивается бесконечно.
  • В теориях о черных дырах нарушаются законы сохранения квантовых чисел.

Замечание 1

Дж. Чаплин считает, что квантовая механика доказывает отсутствие черных дыр во Вселенной. Все объекты, ранее считавшиеся черными дырами, – есть звезды темной энергии.

Теория Дж. Чаплина

Дж. Чаплин является сотрудником национальной лаборатории в Ливерморе (США). Он с коллегами исследовал сверхпроводящие кристаллы, изучая «квантовый фазовый переход». Было обнаружено, что спины электронов якобы указывают на замедление хода времени. Эта ситуация напомнила ученым о явлениях, которые предсказываются около горизонта событий черной дыры.

Коллектив ученых провели анализ коллапса звезды большой массы, в соответствии с принципами квантовой механики. Исследователи получили, что результатом коллапса должна стать не черная дыра, а некая квантовая скорлупа. Внутри этой предельной скорлупы должен находиться энергетически насыщенный вакуум. И отсутствует даже намек на сингулярность.

Вакуум внутри скорлупы должен иметь способность к антигравитации (свойство темной энергии).

Звезда темной энергии обладает мощным полем гравитации, поэтому притягивает материю и энергию извне. При этом внутри квантовой скорлупы действует сильная антигравитация, которая хотя бы часть вещества отбрасывает из звезды.

Максимальная доля материи и энергии, которое исторгает эта звезда становится позитронными и $\gamma$ — лучами.

Следствием данной гипотезы можно считать то, что падение вещества ведет к излучению рассматриваемой звездой в инфракрасном диапазоне.

Почему не существуют черные дыры?

Исследователь полагает, что горизонты событий и замкнутые кривые времени не могу существовать, так как они противоречат принципам квантовой механики. Соответственно, не может быть в природе и черных дыр, которые были предсказаны общей теорией относительности.

Замечание 2

Несмотря на то, что гипотезе о существовании черных дыр в космологии уже несколько десятилетий, данная теория по-прежнему вызывает споры.

Ученый предположил, что звезда, начав коллапс, не становится черной дырой, а изменяет всю свою природу. При этом ее звездное вещество переходит в «темную энергию».

Чаплин говорит о том, что А. Эйнштейн считал, что черных дыр не существует, но не смог объяснить причину, своей уверенности в отсутствии данных космических объектов.

Существует радикальное противоречие в понимании хода времени в общей теории относительности и в квантовой физике:

  1. В ОТО универсального времени не существует, так как время идет с разной скоростью около звезды большой массы и в пространстве на удалении от звезд.
  2. Квантовая механика оперирует «постоянным» временем, рассматривая бесконечно малые величины.

Данные противоречия становятся особенно острыми на границах, например, на горизонте событий черной дыры. Так, для наблюдателя, который находится на некотором расстоянии от черной дыры, космический корабль навсегда останется на горизонте событий черной дыры. Тогда как космонавт на борту этого корабля станет полагать, что корабль к центру этой дыры с увеличивающимся ускорением.

Еще в 1975 году некоторые физики считали, что на границе горизонта событий (сфера действия квантовой механики), материя ведет себя как крайне нестабильная. Чаплин предположил, что данная нестабильность вещества – это проявление квантового фазового перехода пространственно-временного континуума.

Дж. Чаплин в своей теории выдвинул гипотезу о том, что звезда, исчерпавшая свою энергию и совершающая коллапс, становится не черной дырой, а происходит заполнение ее темной энергией. Это вызывает ряд особенных эффектов гравитации.

Внешний наблюдатель определяет поведение такой звезды как поведение черной дыры, которая имеет огромное поле гравитации. Но внутри звезды темной энергии возникает область антигравитации, которая выбрасывает вещество, которое притянуто извне обратно.

В гипотезе Чаплина вещество, которое проходит горизонт событий звезды темной энергии, превращается в антивещество и может отбрасываться назад.

Звезда темной энергии, обладающей большой массой, выбрасывает при помощи сил антигравитации электроны, превращающиеся в позитроны.

При столкновении электронов с позитронами происходит аннигиляция частиц, которое сопровождает большое количество энергии.

Ученый предполагает, что в этом состоит объяснение присутствия источников очень жесткого $\gamma$ — излучения в нашем галактическом центре, которое научный мир считает результатом наличия больших черных дыр.

Чаплин предлагает два механизма возникновения звезд темной материи:

  1. Гравитационное сжатие обычных звезд.
  2. Флуктуация областей пространства-времени. Это так называемые, первобытные «черные звезды», которые содержат большую долю «темной материи» Вселенной.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/gipoteza_zvezdy_temnoy_energii_v_fizike/

Что такое темная материя и темная энергия?

Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Темная материя и темная энергия так же таинственны, как и звучат. Чтобы понять, что такое темная материя, вы должны сначала узнать, что такое материя.

Звезды, галактики, скалы, планеты, деревья, вода и даже мы(люди и другие формы жизни) состоят из материи, которая не что иное, как протоны, нейтроны и электроны, образующие атомы. Все, что мы видим вокруг — материя.

Но эта материя (которую мы видим вокруг себя и во Вселенной) составляет лишь менее 5% известной вселенной. Тогда какие остальные 95%? Это не имеет значения? Остальные 95% — темная материя и энергия, из которых около 25% — темная материя и около 70% — темная энергия.

Темная материя и энергия

Ученые понятия не имеем, что такое темная материя и темная энергия, но они уверены, что она существует. Так что мы о них знаем?

Что такое темная материя?

Темная материя — это вещество, которое заставляет галактики и звезды существовать (мы можем так сказать, потому что это самая распространенная материя вокруг, хотя мы ее не видим).

Когда ученые подсчитали, почему Вселенная устроена так, как она есть, они обнаружили, что нормальной материи просто не хватает, чтобы удержать все вместе. Гравитации видимой материи недостаточно для образования галактик и звезд.

Поэтому внутри и вокруг галактик должно быть что-то еще, что заставляет их существовать. То, что не излучает и не отражает свет. Что-то темное. Это породило термин темная материя.

В глубокой вселенной, где бы ни была высокая концентрация темной материи, свет изгибается, что изначально смутило ученых, но в итоге они поняли, что есть нечто невидимое нам, что вызывает эти оптические иллюзии и взаимодействует с гравитацией.

Темная материя во Вселенной

Темная материя рассеивается по всей Вселенной и есть несколько вещей, которые мы можем точно сказать о темной материи. Во-первых, она взаимодействует с гравитацией, а во-вторых, ее очень много.

Что такое темная энергия?

Темная энергия еще более загадочна. Мы не можем обнаружить ее, мы не можем измерить ее, мы не можем почувствовать ее, но мы видим и наблюдаем его последствия очень четко.

В 1929 году Эдвин Хаббл (человек, в честь которого был назван телескоп Хаббл) исследовал, что длина волны света, испускаемого далекими галактиками, смещается к красному концу электромагнитного спектра, когда волны света путешествует через пространство. Он обнаружил, что более отдаленные галактики показывают большее смещение, чем более близкие.

Хаббл решил, что это потому, что Вселенная расширяется. Красное смещение произошло потому, что длина волны света растягивается по мере расширения Вселенной. Кроме того, ранее считалось, что расширение Вселенной замедляется и в какой-то момент в будущем он может перестать расширяться и начнет сокращаться. Но последние открытия показали, что расширение Вселенной ускоряется.

Приближаясь к ускоряющемуся расширению Вселенной, ученые полагают, что это из-за какой-то отталкивающей силы. Эту силу они называют темной энергией.

Таким образом, темная энергия — это своего рода энергия, присущая пустому пространству. Энергия, которая сильнее всего, что мы знаем, и которая продолжает становиться сильнее с течением времени.

Пустое пространство имеет больше энергии, чем все остальное во Вселенной вместе взятые.

Теории о Темной Энергии

Ученые выдвинули несколько идей, что это за темная энергия:

  • Одна идея заключается в том, что темная энергия это не вещь, а свойство пространства. Пустое пространство — это не ничто, оно имеет свою собственную энергию, оно может генерировать больше пространства и довольно активно.
  • Еще одна идея была высказана известным ученым Альбертом Эйнштейном, что идея космологической постоянной силы, противодействующей силе тяжести. Единственная проблема заключается в том, что когда ученые пытались вычислить количество этой энергии, результаты были настолько неправильными и странными, что это только добавило путаницы.
  • Другая идея состоит в том, что пустое пространство на самом деле состоит из временных виртуальных частиц, которые спонтанно и последовательно формируются из ничего и снова исчезают в ничто. Энергия от этих частиц может быть темной энергией.
  • Но работа еще продолжается. Есть еще много вопросов, на которые нужно ответить. Наша теория о темной материи и темной энергии — всего лишь теория. Ученые продолжают исследовать и возможно, однажды они смогут дать ответ о том, что такое темная материи и темная энергия.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c592f215995ca00a9d506ad/5c875035f117cb00b38c5032

Темной энергии не существует? Новые свидетельства, опровергающие принятую модель устройства Вселенной

Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Современная наука утверждает, что наша Вселенная лишь на 5% состоит из «обычной», привычной нам материи.

Еще примерно четверть составляет загадочная темная материя, о которой нам известно довольно мало, поскольку она недоступна прямому наблюдению.

Наибольшая же часть — оставшиеся две трети — приходятся на еще более загадочную темную энергию, о которой мы и вовсе не знаем практически ничего, но именно она заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Однако недавнее исследование южнокорейских астрономов позволяет предположить, что на самом деле никакой темной энергии не существует. По мнению авторов статьи , сама гипотеза об ускоряющемся разбегании галактик основана на ложной догадке и некорректных расчетах.

Сенсационное заявление прозвучало на собрании Американского астрономического сообщества в Гонолулу и вызвало ожесточенную полемику в научных кругах, поскольку фактически ставит под вопрос принятую на сегодняшний день модель устройства Вселенной.Критики работы указывают на ее возможные недостатки и напоминают о других косвенных доказательствах устоявшейся теории.

Однако, несмотря на все усилия, ученые уже 20 лет не могут объяснить природу темной энергии (или хотя бы приблизиться к такому объяснению). И сенсационная работа южнокорейских астрономов — не первая попытка опровергнуть само ее существование.

Что такое темная энергия?

В 1990-е годы астрономы обнаружили, что галактики не просто разбегаются в разные стороны, а делают это все быстрее и быстрее — то есть Вселенная расширяется с ускорением.Это открытие сильно озадачило ученых, поскольку совершенно не укладывалось в принятую модель.

Наблюдения телескопов опровергали сам принцип гравитации: ведь силы притяжения, возникающие между любыми материальными объектами, по идее должны замедлять расширение, а никак не ускорять его.

Для того чтобы как-то объяснить это противоречие, и была выдвинута гипотеза темной энергии — некой неведомой силы, которая заставляет галактики ускоряться.

Грубо говоря, ученые обнаружили в существующей теории дыру и наложили на нее заплатку: ввели в уравнение новую переменную, которая позволяла сойтись сделанным ранее расчетам.

С тех пор наблюдения астрономов принесли еще несколько не вполне объяснимых результатов, однако каждый раз их выручала все та же «математическая заплатка».

С ней формулы сходились — а значит, существование загадочной энергии получало все новые косвенные подтверждения.

В 2011 году открытие ускоряющейся Вселенной было удостоено Нобелевской премии по физике, а гипотеза о темной энергии окончательно легла в основу современной космологии .

Как было сделано это открытие?

Один из способов измерить расстояние в астрономии — так называемый метод «стандартных свечей», на основе наблюдения за сверхновыми звездами определенного типа .Когда звезда из типа белых карликов резко сжимается под действием гравитации и взрывается, этот взрыв сопровождается яркой вспышкой сверхновой.

При этом, где бы ни располагалась такая звезда, ее яркость (ученые используют термин «светимость») примерно одинакова — во всяком случае так было принято считать до последнего времени.Однако при наблюдении с Земли яркость сильно зависит от расстояния: чем ближе взорвавшаяся звезда, тем ярче вспышка.

И это позволяет довольно точно рассчитать, насколько далеко произошел взрыв.Помимо «стандартных свечей», для расчета астрономических расстояний используются и другие способы — например, уравнение Хаббла , составленное для равномерно расширяющейся Вселенной.

И когда разные методы дают один и тот же результат, они как бы подтверждают друг друга.

Но в 1998 году астрономы вдруг обнаружили, что в удаленных галактиках разные способы подсчета приводят к разному результату. Расстояние, вычисленное по методу «стандартных свечей», оказывается значительно больше, чем рассчитанное ранее по методу Хаббла.

Численный анализ заставил ученых предположить, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось ранее, и расширение это происходит с ускорением.20 лет назад эта гипотеза звучала совершенно революционно, но сегодня в научном мире это общепринятая точка зрения.

Что изменилось теперь?

Команда астрономов из Университета Ёнсе в Сеуле и Лионского университета провела наиболее точные измерения возраста большинства галактик, где наблюдались вспышки сверхновых.

Результаты исследования, на которое ушло девять лет, показали, что яркость сверхновых звезд абсолютно соотносится с возрастом родительской галактики и не требует никаких дополнительных переменных. То есть в галактиках разного возраста светимость сверхновых будет разной.

Другими словами, расхождение измерений, поставившее ученых в тупик в 1998 году, легко объясняется одной лишь эволюцией яркости звезд — и нет никаких оснований предполагать, что Вселенная расширяется с ускорением.

А значит, отпадает и необходимость объяснения этого ускорения — загадочная темная энергия оказывается просто не нужна.

«Как говорил [американский астроном] Карл Саган, экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, а я вовсе не уверен, что у нас есть подобные экстраординарные доказательства существования темной энергии», — заявил руководитель исследования, профессор Ён Вук Ли.»Наши результаты показывают, что сама гипотеза темной энергии на основе космологии сверхновых, удостоенная в 2011 году Нобелевской премии по физике, может базироваться на ненадежном и попросту ошибочном предположении», — утверждает он.

Ученые 20 лет искали то, чего нет?

Публикация работы южнокорейских астрономов подлила масла в огонь ожесточенной полемики, которая разгорелась в научном сообществе в последнее время.Дело в том, что в ноябре и декабре были опубликованы сразу две работы, предлагающие альтернативные объяснения ускорению Вселенной.

В одной статье оно объясняется квантовыми свойствами материи (так называемым эффектом Казимира). В другой и вовсе делается предположение , что Вселенная на самом деле не ускоряется: противоречия в измерениях 1998 года объясняются лишь точкой, из которой ведется наблюдение.

«Важно понимать, что непосредственно ускоренное космологическое расширение наблюдать невозможно, — поясняет автор первой статьи Артем Асташенок, возглавляющий лабораторию астрофизики и космологии в Балтийском федеральном университете.

— Когда астрофизики говорят об этом, то речь всегда идет об интерпретации тех или иных измерений»

Так или иначе, все три опубликованные в последние месяцы работы объединяет одно: ни одна из них не требует существования темной энергии. Той самой невидимой силы, которую физики и астрономы искали последние 20 лет.

Той самой, за «открытие» которой в 2011 году вручили Нобелевскую премию. Той самой, которая лежит в основе современных представлений о Вселенной.Возможно, сама гипотеза о ее существовании изначально была ошибкой.

Что все это значит?

Наука постоянно развивается, углубляя наши представления об окружающем мире. Но выдвигаемые теории, объясняющие тот или иной феномен, не так уж редко впоследствии оказываются неточными или даже откровенно ошибочными.Например, сейчас любой школьник знает, что горение — это процесс взаимодействия горючего вещества с кислородом.

Однако этот химический элемент был открыт только в конце XVIII века, а до этого ученые считали, что все горючие вещества наполняет таинственная огненная субстанция — флогистон , который высвобождается при горении и смешивается с воздухом.

Когда выяснилось, что при прокаливании стали масса металла не уменьшается, а наоборот увеличивается, ученые озадачились — но быстро придумали объяснение: очевидно, флогистон обладает отрицательной массой.

Даже открытый в 1774 году кислород поначалу называли «дефлогистированный воздух» — то есть воздух, который очищен от флогистона и потому лучше поддерживает горение.И темная энергия вполне может оказаться «флогистоном XXI века» — если в итоге выяснится, что на самом деле расширение Вселенной не ускоряется.

С другой стороны, наблюдения последних 20 лет дали ученым немало результатов, косвенно свидетельствующих в пользу ускоренного расширения ( 1 , 2 ). И не очень понятно, как объяснять эти наблюдения, если отказаться от принятой теории.

«В таком важном вопросе требуется комплексный подход, поэтому рано говорить о том, что ускоренное расширение Вселенной связано просто с ошибочной интерпретацией данных наблюдений, — предупреждает Асташенок. — Но сама по себе возможность объяснить ускоренное расширение без темной энергии весьма интересна».

«Конечно, с точки зрения «бритвы Оккама», обойтись без темной энергии было бы хорошо, — резюмирует эксперт, — это избавило бы от многих проблем. Так что подождем развития дискуссии».

Вселенная Космос Галактика Темная энергия Длиннопост

Источник: https://pikabu.ru/story/temnoy_yenergii_ne_sushchestvuet_novyie_svidetelstva_oprovergayushchie_prinyatuyu_model_ustroystva_vselennoy_7184195

Новая радикальная гипотеза предлагает «простое объяснение темной энергии»

Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Десятилетиями ученые ломают головы над тем фактом, что наша Вселенная расширяется. С логической точки зрения гравитация должна притягивать галактики друг к другу, однако наблюдения 1990-х годов показали, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускоряющей тенденцией, и виной тому является так называемая темная энергия.

Темная энергия (не путать с темной материей) – это гипотетическая сила, на которую приходится до 68,3 процента всей энергии в наблюдаемой Вселенной.

И ученые считают, что эта энергия отталкивает галактики друг от друга.

Тем не менее, несмотря на множество непрямых доказательств ее существования, никто так до сих пор и не смог напрямую определить наличие темной энергии или хотя бы адекватно объяснить, откуда она взялась.

Однако согласно новой гипотезе, ответ на этот вопрос лежал у нас в буквальном смысле перед носом. Согласно этой гипотезе, темная энергия – это абсолютно обыденная вещь, если рассматривать ее с точки зрения одного из фундаментальных законов Вселенной, о котором мы часто забываем, когда рассматриваем этот вопрос.

Этим фундаментальным законом является закон сохранения энергии. О нем рассказывают еще в средней школе. Если простыми словами, гласит он следующее: энергию нельзя просто так создать или разрушить, она не может просто так исчезнуть. Единственное, что она может – это перетечь из одного состояния в другое или перейти от одного тела к другому.

На этом законе держится большая часть нашей фундаментальной физики.

Результаты нового исследования, проведенного группой физиков из разных институтов, говорят о том, что если в рамках самых ранних дней появления Вселенной имела место даже едва заметная утрата энергии, то это могло бы объяснить природу темной энергии, о которой сегодня говорят многие ученые. Авторы исследования добавляют, что, вполне возможно, эта утечка хоть и нарушала фундаментальный закон, но нарушала его настолько незначительно, что в итоге этого никто бы и не заметил.

Гипотеза весьма дерзкая, следует заметить. Но здесь же интересно понять, что именно привело исследователей к такой гипотезе.

Для того чтобы разобраться в вопросе темной энергии и постараться объяснить ее, необходимо вернуться в 1917 год, год, когда Эйнштейн пытался понять, почему Вселенная статичная и не имеет тенденцию сужаться или расширяться. На тот момент эта теория была весьма популярной.

Чтобы объяснить отсутствие гравитационной стяжки, Эйнштейн предположил, что во Вселенной должно иметься что-то, что может создавать в общем вселенском масштабе сопротивление гравитации. Так появилась космологическая постоянная.

Однако от этой идеи в 1929 году он отказался, когда астроном Эдвин Хаббл впервые увидел признаки расширяющейся Вселенной, которые он отметил в своих расчетах. В начале 90-х годов прошлого века ученые доказали, что Вселенная расширяется с ускорением, и постоянная Эйнштейна стала вновь актуальной.

Астрофизики пришли к мнению, что этой постоянной, о которой Эйнштейн говорил в своих работах несколько десятилетий назад, на самом деле всегда являлась та вещь, которую сегодня мы называем темной энергией.

Так что же это такое, темная энергия? В общем понимании ее рассматривают, как космологическую постоянную, неизменную энергетическую плотность, возникающую и равномерно заполняющую пространство Вселенной.

Из квантовой механики нам известно, что на самом деле пустое пространство никогда не пусто – оно заполнено квантовыми частицами и энергией, которая появляется под воздействием возникновения и исчезновения этих частиц.

И некоторые из этих частиц могут обладать репульсивной силой – той самой темной энергией.

Пожалуй, единственный самый спорный момент заключается в том, что предсказанный объем появляющейся темной энергии в рамках этого процесса должен быть больше, чем ныне выдвигаемый с учетом наблюдения расширения Вселенной показатель – до 120 порядков больше, если точнее. Это может говорить о том, что мы либо неправильно измеряем этот объем, либо мы совсем не понимаем, откуда именно берет свое начало темная энергия.

Новое исследование предполагает, что последний вариант наиболее вероятен, и по этому случаю выдвигается новая гипотеза. А что, если на раннем этапе своего появления Вселенная испытывала некоторую утечку энергии и эта потеря задала темп возникновения темной энергии?

«В нашей модели темная энергия представлена тем, что способно указать на тот объем энергии и импульса, которые были утрачены за всю историю Вселенной», — говорит один из исследователей Алехандро Перез.

Основной для этой новой гипотезы является альтернативная модель общей теории относительности, к которой Эйнштейн пришел в 1910-х. Она носит название модели унимодулярной гравитации.

Согласно ей, энергия совсем необязательно должна сохраняться.

При этом исследователи говорят, что при применении модели унимодулярной гравитации в вычислениях значение космологической постоянной идеально соотносится с теми наблюдениями, согласно которым наша Вселенная расширяется с ускорением.

Важно также отметить, что эта модель необязательно сильно противоречит нашему нынешнему пониманию Вселенной. Хотя исчезновение энергии в ранней Вселенной скажется на изменении значений объемов темной энергии, ни на что другое оно влиять не будет, или по крайней мере это не будет заметно в наших современных экспериментах.

«Энергия вещества, составляющего материю, может передаваться гравитационному полю, и эта «потеря энергии» будет выступать в роли космологической постоянной — она не будет разбавляться позже с расширением Вселенной», — говорит Тибо Жоссе, еще один член исследовательской группы.

«С учетом этого, потеря или создание энергии в далеком прошлом может иметь серьезные последствия сегодня и при этом на совершенно ином уровне и в более крупных больших масштабах».

Здесь, однако, возникает вопрос: если исчезновение энергии не несет никаких эффектов на Вселенную, кроме как изменяет значение самой темной энергии, то каким образом можно проверить правильность или неправильность этой гипотезы? В этом и заключается основная проблема.

«Наше предложение носит весьма общий характер, и любое изменение закона сохранения энергии, вероятнее всего, внесет свой вклад в эффективность космологической постоянной. Например, это может установить новые ограничения на феноменологические модели, стоящие за пределами квантовой механики», — говорит Жоссе.

«С другой стороны, прямые доказательства того, что темная энергия подпитывается от изменяющей свое состояние обычной энергии, кажутся за гранью реальности, так как у нас уже есть значение лямбда-члена (она же – космологическая постоянная), и, кроме того, мы ограничены лишь последним временем ее (темной энергии) эволюции».

В общем и целом данная гипотеза представляется тем, чем она пока и есть гипотезой, которая еще не проходила проверки. Однако физики говорят, что хотят более детально ее исследовать на предмет вероятности в будущем.

«Ни о какой определенности речи не идет. Но эта новая идея представляется как минимум интересной и поэтому заслуживает внимания», — говорит Ли Смолин, физик-теоретик из канадского Института теоретической физики в Ватерлоо, не принимавший участия в этом исследовании.

Источник: https://Hi-News.ru/research-development/novaya-radikalnaya-gipoteza-predlagaet-prostoe-obyasnenie-temnoj-energii.html

Темная материя и энергия провалились в черную дыру. Не исключено, что на самом деле никакой темной материи и энергии в их привычном представлении не существует

Гипотеза звезды тёмной энергии в физике

Объяснить черты наблюдаемой части космоса на основании только видимой его части нереально.

Что-то невидимое заставляет «края» галактик вращаться с большей скоростью, чем «положено»; другая «невидимая рука», кажется, растягивает пространство-время во все стороны все быстрее и быстрее (ускоряющееся расширение Вселенной).

За открытие этих фактов уже успели многажды выписать Нобелевские премии, а на поиски соответствующих «темных сил» ушли миллиарды долларов.

Но есть нюанс: вполне вероятно, никаких частиц темной материи на самом деле не существует, а ускоряющееся расширение Вселенной и вовсе может оказаться иллюзией. Невидимая масса, раскручивающая галактики, — это множество черных дыр средних размеров, а кажущееся ускорение расширения обеспечивает гигантская черная мегасверхдыра. Но — обо всем по порядку.

Очень темные дела

Еще в 1884 году лорд Кельвин обратил внимание на странный факт: звезды во внешних областях диска нашей Галактики вращаются вокруг ее центра куда быстрее, чем должны были бы, судя по расчетам.

Такое возможно, если их «раскручивает» гравитация какой-то массы, лежащей еще дальше, там, где кончаются звезды и начинается межгалактическое пространство. Но что лежит там, где кончаются звезды, понять не удавалось.

Известнейший французский математик Анри Пуанкаре, обсуждая этот вывод Кельвина, в 1906 году впервые употребил словосочетание «темная материя». Последующие сто лет подтвердили: практически во всех наблюдаемых галактиках картина та же.

Гипотез о том, что именно составляет темную массу, было много, но большинство из них плохо совместимо с наблюдаемой Вселенной.

Со временем была выбрана одна — о «холодной темной материи», теоретически состоящей из массивных частиц (вимпов), не взаимодействующих с фотонами света.

Причем в такой гипотезе масса вимпов должна быть в несколько раз больше, чем всего обычного, барионного, вещества. Это хорошо объясняло и невидимость темной материи, и ее мощное воздействие на галактические диски.

При всех позитивных свойствах вимпов у них есть и существенный недостаток: их оказалось абсолютно невозможно найти в экспериментах. Крупные и дорогие ускорители давно показали: если такие частицы и есть, то их размер так мал, что обнаружить их по влиянию на другие частицы нереально.

Сечение вимпов, согласно таким экспериментам, не может быть заметно больше 10-45метра, что на десять порядков меньше планковской длины. А планковская длина — это вообще предел расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины перестают иметь какой-либо смысл.

Любая попытка исследовать меньший по размеру объект (менее 1,6⋅10-35 метров) потребует столкновения частиц высоких энергий, что неизбежно закончится рождением черной дыры: вместо того чтобы дробить частицы на более мелкие кусочки, это приведет к «слипанию» частиц в ничтожно малую ЧД.

А жаль — вимпы выглядели отличной, логичной гипотезой.

Сходная история случилась и с темной энергией. Есть два хороших способа измерения расстояния до галактик: по закону Хаббла (расстояние пропорционально красному смещению, удлинению световых волн, дошедших до нас от далекой галактики) и по «стандартным свечам», сверхновым типа Ia.

Такие сверхновые в теории взрываются при достижении одной и той же пороговой массы, то есть их яркость практически одинакова. Глядя на их видимую нам яркость и соотнося ее с положенной такой сверхновой энергией взрыва (прямо связанной с массой), легко высчитать, каково же расстояние до далекой галактики. Но два эти способа, как оказалось, дают противоречащие друг другу результаты.

В удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже «положенной»! То есть каким-то образом расстояние, которое прошли фотоны от вспышек этих сверхновых, оказалось больше, чем должно быть, — как будто пространство между нами растянулось, и вместе с ним растянулись (став «краснее», то есть длиннее) и световые волны от этих вспышек. Эти наблюдения интерпретировали как ускоряющееся расширение Вселенной, и за это открытие успешно дали Нобелевскую премию.

Осталось выяснить сущую малость: что именно растягивает пространство-время и заставляет Вселенную двигаться с ускорением. В настоящий момент считается, что это некая расталкивающая все и вся темная энергия с плотностью порядка 10-29 г/см³. Но при такой плотности обнаружить ее в эксперименте не приходится и мечтать.

Как же изучать то, что в лаборатории изучать нельзя? Правильно, чисто теоретически. Все попытки ограничить свойства темной энергии наблюдением за крупными структурами Вселенной пока не дали серьезных результатов. Поэтому ее считают то энергией вакуума, то частицеподобным возбуждением некоего динамического скалярного поля («квинтэссенция»), то чем угодно еще.

Однако, когда от гипотез переходят к расчетам, получается один сумбур. Если темная энергия суть энергия вакуума (наименее сложная гипотеза), то ее должна предсказывать квантовая теория поля. Но значение энергии вакуума, которое она предсказывает, на 120 порядков больше, чем то, что следует из наблюдений за ускоряющимся расширением Вселенной.

Это настолько большой разрыв, что даже обсуждать здесь нечего: такое объяснение выглядит нереалистично.

Темная энергия «по-черному»

Около 2003 года физик Николай Горькавый, до того занимавшийся чисто «гравитационными» проблемами — типа колец Урана и его спутников, существование ряда из которых он предсказал по форме колец и до их открытия астрономами, — попробовал подойти к «темным материям» с другой стороны. Отталкиваясь от «гравитационного» видения мира, исследователь решил выяснить, каким может быть влияние черных дыр самых разных размеров на окружающую нас Вселенную. Особенно его заинтересовали процессы слияний ЧД, при которых значительная часть массы их обеих превращается в гравитационные волны (колебания пространства-времени). Если сами ЧД вполне притягивают к себе материю, то гравитационные волны этого не делают. Таким образом, получается, что в слияниях черных дыр масса как бы «исчезает», а на деле превращается в энергию гравиволн.

Николай Горькавый, астрофизик и русский писатель-фантаст

Исходя из этой модели, ученый обратился к выдвинутой еще создателем термина «Большой взрыв» Георгием Гамовым гипотезе о том, что Вселенная расширяется и сжимается циклически.

Согласно расчетам Горькавого и его соавтора Василькова, получается, что при сжатии в конце каждого цикла существования Вселенной черные дыры слипаются во все более крупные объекты, попутно поглощая «мелочь» типа звезд и планет.

В каждом таком слиянии лишь считанные проценты их массы превращаются в энергию гравиволн, но поскольку таких слияний очень много, то в конце значительная доля массы Вселенной превращается в энергию гравиволн.

В этот момент происходит как бы скачок: в короткое по астрономическим меркам время исчезновение значительной массы сжимающейся Вселенной порождает не воронку гравитационного потенциала, а пик этого потенциала, который и вызывает разлет остальной части Вселенной во всех направлениях.

Со стороны это будет выглядеть именно как взрыв, при котором обломки летят в разные стороны. Именно так, в рамках гипотезы Горькавого и Василькова, цикл сжатия прежней Вселенной сменился циклом расширения нынешней Вселенной.

Казалось бы, при чем тут вообще темная материя и темная энергия? На деле связь самая прямая. Во-первых, в конце серии слияний ЧД из прошлой Вселенной должна была возникнуть самая крупная из всех черных дыр.

Естественно, такая дыра имеет огромное влияние на окружающее ее пространство-время. Поглощая энергию гравиволн, она продолжит быстро наращивать свою массу, дополнительно усиливая свое гравитационное поле.

В итоге гравитация от нее будет настолько мощной и быстро усиливающейся, что первые ранние галактики Вселенной, разлетающиеся в стороны, в определенный момент почувствуют нарастающее торможение: те из них, что ближе к древней гипермассивной черной дыре, будут замедляться, а те, что дальше, продолжат лететь с меньшим замедлением. За счет этого фотоны от более далеких галактик будут казаться «краснее», чем они есть, а значит, и красное смещение от далеких объектов будет отличаться от ожидаемого. 

Как известно, расстояние до далеких галактик определяют именно по красному смещению. Так что его «корректировка» гипермассивной черной дырой создаст у земного наблюдателя иллюзию ускоряющегося расширения Вселенной, несмотря на то что на практике такого ускоряющегося расширения не будет.

В модели Горькавого Вселенная, разумеется, тоже расширяется, но без реального нарастающего ускорения. Итак, мы нашли неплохого кандидата на роль темной энергии — гипермассивную черную дыру.

Что важно, корректность такого сценария — и само существования такой огромной древней ЧД — вполне можно проверить с помощью наблюдений, чего не скажешь о темной энергии в рамках гипотезы о том, что она суть энергия вакуума.

Темная материя «по-черному»

В рамках подобной «космологии отскока» по-другому начинают выглядеть не только дальние дали, но и окрестности нашей собственной Галактики.

Если сразу после Большого взрыва почти вся масса прежней Вселенной превратилась в гравиволны, то их энергия должна доминировать в окружающем нас пространстве до сих пор.

По расчетам из последней статьи Горькавого, Вселенная примерно на 99% состоит из древних, реликтовых гравитационных волн и на ~1% — из черных дыр, барионов и других частиц. Между тем черные дыры поглощают гравиволны, и при этом энергия таких волн снова превращается обратно в массу ее ЧД-уловителей.

Хотя энергичнее всего наращивать массу будет древняя гипермассивная дыра, кроме нее во Вселенной еще от прошлого цикла должен был остаться и набор менее массивных ЧД. Часть из них станет «семенами» для тех черных дыр, что астрономы сегодня называют сверхмассивными и что лежат в центрах галактик, включая и наш Млечный Путь.

Но будет и много других черных дыр — промежуточных масс, некогда образовавшихся в ходе коллапса звезд, а затем быстро набиравших массу за счет окружающей материи и гравитационных волн.

Многие из них окажутся за пределами видимого диска галактик, где скапливался газ, из которого и образуются видимые звезды.

Их тяготение будет раскручивать периферийные районы видимых галактических дисков и тем самым играть роль темной материи.

До модели Горькавого предположение о том, что темная материя суть черные дыры на окраинах галактик, уже выдвигалась. Но особой популярностью не пользовалась.

Дело в том, что черные дыры должны образовываться из звезд, а вне галактических дисков таких звезд просто не могло быть много — значит, и ЧД там много быть не может.

В «космологии отскока» все иначе: черные дыры из прошлых циклов сжатия и расширения Вселенной вполне могут концентрироваться на окраинах галактик, где никогда не было звезд. Ведь такие дыры образовались из звезд не в этом цикле существования Вселенной, а намного раньше.

Плюсы и минусы

Конечно, такая гипотеза по своему размаху куда шире более ранних гипотез о вимпах или темной энергии, поэтому с ее помощью можно объяснить много больше вещей, что, несомненно, плюс.

Возьмем барионную асимметрию Вселенной. Как известно, мы видим вокруг себя много обычного вещества и почти не видим антивещества.

Если бы их было поровну, атомы аннигилировали бы с антиатомами и всю Вселенную наполнили бы фотоны без всяких атомов вообще.

Очевидно, почему-то обычного вещества с самого начала было куда больше, чем антивещества. Сейчас физика считает это одной из по-прежнему нерешенных проблем.

В рамках модели Горькового ситуация совсем иная.

Циклическая Вселенная предполагает большое (или даже очень большое) количество космологических циклов, что значительно упрощает решение проблемы «перевеса» обычного, барионного, вещества над антивеществом.

В циклической Вселенной очень много времени: барионы могут потихоньку накапливаться в каждом цикле, а антивещества, исчезающего за счет аннигиляции с обычным веществом, напротив, будет все меньше.

Другой крупный плюс гипотезы — отсутствие нужды в вимпах, которые, честно сказать, никто не видел ни в каком эксперименте, равно как и в темной энергии, которую, благодаря ее низкой гипотетической плотности, никто с самого начала и не надеялся увидеть.

Модель Горькавого нуждается только в общей теории относительности, весьма неплохо доказанной на сегодняшний день, да еще в детекторе гравиволн, чтобы зарегистрировать те высокочастотные гравиволны, что в рамках циклической космологии должны составлять основную часть энергии Вселенной. Увы, существующая система детекторов LIGO оптимизирована для улавливания низкочастотных гравиволн и для такого поиска не подходит. Но чем меньше длина и выше частота волны, тем более ее энергия, то есть найти следы прошлого цикла можно будет с помощью более компактных детекторов, чем та же LIGO.

Минусы у гипотезы тоже есть, но во многом они носят не физический, а психологический характер. Модель вимпов, темной материи из неизвестных частиц, равно как и темной энергии неясной природы, слишком сильно укоренилась в сознании многих исследователей, примерно как концепция эфира в XIX веке.

К тому же так же, как и с эфиром, считавшимся «неощутимым для вещества», в силу «неощутимости» (недоступности для экспериментального исследования) ТМ и ТЭ настаивать на их существовании можно довольно долго: сложно опровергнуть существование чего-то неосязаемого.

Да и слишком много усилий было потрачено на поиски ТМ/ТЭ — психологически будет довольно тяжело признать все это заблуждением по типу того же эфира.

К счастью, в конечном счете в физике все довольно просто: если высокочастотные гравиволны, предсказанные моделью Горькавого, будут найдены, похоронить вимпы и темную энергию, следы которых найти так и не удалось, так или иначе, но придется.

 Александр Березин

Источник: https://tass.ru/sci/6816495

Booksm
Добавить комментарий