Темная энергия и «холодная смерть Вселенной».
Мы уже писали о загадочной и неуловимой темной материи. Пришло время рассказать о еще более загадочной субстанции — темной энергии.
На сегодняшний день, общепризнанная теория образования Вселенной гласит, что 13,7 млрд лет назад произошел так называемый Большой взрыв. Все, что мы видим сейчас, галактики, звезды, скопления, — это, по сути, разлет осколков после Большого взрыва. Мы знаем, что галактики отдаляются друг от друга. На протяжении длительного времени считалось, что это отдаление галактик замедляется. И, возможно, в далеком будущем, все эти осколки вновь притянутся друг к другу под действием силы гравитации, а Вселенная снова схлопнется в точку, как это было до Большого взрыва.
Однако, новые исследования и открытия в астрофизике показали, что такая версия неверна. Отдаление галактик друг от друга не только не замедляется, но и, наоборот, ускоряется! Но, что это за сила, которая отдаляет галактики друг от друга?
Чтобы выйти из этой трудности, ученым пришлось допустить, что во Вселенной, кроме силы гравитации, действущей на притяжение, существует и другая, более мощная сила, которая на больших расстояниях, наоборот, действует на отталкивание. Это антигравитация. Эту силу назвали темной энергией.
По подсчетам ученых, если темная энергия существует, ее должно быть очень много: около 73 % вещества всей Вселенной!
Пока экспериментально доказать или опровергнуть существование темной энергии не удалось. Возникают догадки, строятся новые теории . .
На сегодняшний момент, как бы там дела не обстояли с темной энергией, факты таковы, что ни о каком сжатии Вселенной обратно, в точку, речи быть не может. Вероятнее всего Вселенную ожидает холодная смерть, когда галактики разлетятся друг от друга на недосягаемые расстояния, и звезды погаснут. Мрачный финал. .
Так вот, мы видим, что темная материя, обладая большой массой, притягивает, соединяет собой видимое вещество, а темная энергия, напротив, отталкивает частички этого вещества друг от друга. Пока астрофизики пытаются обнаружить и то, и другое.
Источник
Темная энергия: таинственный двигатель Вселенной
На рубеже 21-го века произошел ряд космологических достижений, которые сыграли решающую роль в научном прогрессе. Концепция теории Большого взрыва непреднамеренно привела к открытию темной материи. Это, в свою очередь, свидетельствовало о существовании темной энергии, которая приводит к необъяснимому ускорению расширяющейся Вселенной.
От теории Большого Взрыва к темной материи и темной энергии
Когда была задумана теория Большого Взрыва, она дала ответы на множество вопросов, но также открыла для астрофизиков и физиков частиц множество новых вопросов. На некоторые вопросы ответила инфляционная гипотеза теории Большого взрыва. Но научное движение, начавшееся из-за теории Большого взрыва, натолкнулось на открытие, которое было совершенно необъяснимым.
Изучая гравитационные эффекты галактик, было обнаружено, что масса галактики на самом деле в шесть раз превышает массу видимых звезд в этой галактике. Остальная масса, большая часть массы в космосе, фактически невидима для нас; его гравитационные эффекты, однако, измеримы. Эта невидимая материя получила название темной материи.
Ученые с юмором начали называть частицы этой материи WIMP, или Слабо взаимодействующими массивными частицами. Они должны быть массивными, как предполагают их гравитационные эффекты. «Слабо взаимодействующие» в названии происходят из-за отсутствия у них других взаимодействующих сил.
WIMP теоретически необходимы для полного согласования наших существующих теорий материи, стандартной модели материи. В течение долгого времени физики экспериментировали с кварками и лептами, чтобы выяснить, как темная материя может существовать во Вселенной, но ответа на этот вопрос найдено не было.
Астрофизики не смогли увидеть их в реальном мире, несмотря на то, что некоторые из лучших умов были заняты их поиском.
Однако поиски не зашли в тупик. Например, расширение стандартной модели материи с помощью суперсимметрии могло бы объяснить существование темной материи.
Эта теория была настолько совершенна, что в 1990-х годах она достигла научного консенсуса. Однако, здесь было еще одно противоречие, которое озадачило научное сообщество того времени.
Аномалия расширения: открытие темной энергии
Гравитация является одной из четырех физических сил и единственной, которая работает на больших расстояниях. Это еще и сила притяжения.
Таким образом, вся материя во Вселенной должна притягивать всю другую материю во Вселенной силой гравитации, тем самым искривляя пространство-время, чтобы противостоять расширению, которое продолжается с самого большого взрыва. Это оставляло две возможные альтернативы для Вселенной в долгосрочной перспективе.
Во-первых, гравитационное притяжение во Вселенной достаточно велико, в силу наличия достаточного количества материи, чтобы остановить это расширение и повернуть вспять, чтобы Вселенная начала сжиматься. Этого сжатия могло быть достаточно, чтобы сделать плотность энергии настолько большой, что это могло бы вызвать еще один Большой взрыв, и Вселенная продолжила бы эту серию колебаний.
Другая возможность заключается в том, что не хватает материи, а следовательно, и гравитационной энергии, чтобы полностью остановить расширение Вселенной, хотя оно и замедлится. Вместо того чтобы сжиматься, расширение будет продолжаться до тех пор, пока плотность энергии не станет настолько мала, что она схлопнется сама на себя, создавая мертвую, холодную Вселенную.
Какая из двух возможностей будет реализована, зависит от энергии и материи, содержащихся во Вселенной.
Но произошла аномалия, о которой даже не мечтали. До сих пор рассматривались только эти два варианта: сжатие, последующий Большой взрыв и продолжающиеся колебания Вселенной, или замедление расширения, в конечном итоге ведущее к холодной мертвой Вселенной.
В 1998 году американские ученые Саул Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс обнаружили, что на самом деле все обстоит иначе: расширение Вселенной вовсе не замедляется, а, наоборот, ускоряется. В результате Вселенная расширяется с возрастающей скоростью.
Как такое могло случиться? Единственная известная сила, способная действовать на межзвездных расстояниях, — это гравитация, и это сила притяжения. Во всяком случае, это привело бы к снижению скорости расширения. Тем не менее тот факт, что расширение Вселенной ускоряется, был подтвержден много раз с 1998 года.
Единственным логическим объяснением было бы то, что за этим расширением должна стоять какая-то другая энергия. Что это за энергия, нам неизвестно. Но точно так же, как невидимая материя, увеличивающая массу вселенной, называлась темной материей, так и невидимая энергия, ускоряющая расширение вселенной, была названа темной энергией.
Что мы знаем о темной энергии?
Сходство между темной материей и темной энергией не заканчивается на имени. Как и в случае с темной материей, о темной энергии известно немногое. Мы не знаем, откуда на самом деле берется темная энергия и на что она похожа.
Что мы знаем, так это сколько ее должно быть, учитывая скорость ускорения во вселенной. И это много: нормальная материя и энергия, вещество, которое первоначально считалось всем, что есть во Вселенной, составляет только 5% от реальной вселенной. Темная материя составляет целую четверть, 25% всего содержимого Вселенной. А темная энергия, составляющая остальные 70%, составляет большую часть содержимого Вселенной. По сути, это означает, что подавляющее большинство, около 95%, нашей Вселенной невидимо для нас.
Но есть еще много вопросов на эту тему. Если бы темная энергия Вселенной была равномерно распределена, как любое другое энергетическое поле, она была бы разбавлена расширением, что привело бы к снижению скорости расширения с течением времени. Но это не было замечено до сих пор, подразумевая, что плотность темной энергии остается постоянной с течением времени.
Выход за пределы темной энергии
Темную энергию так трудно найти, потому что она не взаимодействует с нормальной материей, и то, что мы ничего о ней не знаем, делает ее такой аномалией. Существует установленная парадигма, картина реальности, которая регулируется как стандартной моделью, так и общей теорией относительности. Эта парадигма содержит материю, темную материю и темную энергию, хотя мы мало что знаем о большинстве содержания этой парадигмы.
И стандартная модель, и общая теория относительности безупречно предсказывают результаты, которые также были доказаны экспериментально. Тем не менее существует острая необходимость в теории, которая охватывала бы их обоих, примиряла бы их различия и, возможно, лучше отвечала бы на вопросы о строительных блоках Вселенной. Это создает потребность в теории всего, единой теории, которая, если бы она была задумана, могла бы объяснить функционирование вселенной таким образом, о котором раньше не думали.
Общие вопросы о темной энергии
Что такое темная энергия?
Темная энергия относится к таинственной энергии, которая отвечает за ускорение расширения Вселенной.
Что бы сделала Единая теория?
Единая теория необходима, чтобы свести воедино понимание стандартной модели и общей теории относительности, чтобы, возможно, обеспечить лучшее понимание темной материи и темной энергии.
Каков состав Вселенной?
Только 5% Вселенной состоит из нормальной материи и энергии, 25% состоит из темной материи, а большая часть, 70%, состоит из темной энергии.
Источник
Три варианта смерти Вселенной
Вселенная образовалась 13.8 млрд лет назад и, как показывают расчеты, скорее всего когда-то умрет. Сегодняшние знания о космологии и фундаментальной физике позволили ученым выдвинуть три серьезных гипотезы окончания существования нашей Вселенной. Но почему она умрет, как и останется ли она мертва навсегда?
Темная энергия
Наша Вселенная расширяется, при том с ускорением. Причина этому — темная энергия . Этот гипотетический вид энергии равномерно пронизывает все пространство.
Раньше мы считали, что пространство Вселенной устроено по принципу мячика, подкинутого в воздух. По логике, мяч, утратив с высотой свою кинетическую энергию, должен в конечном итоге упасть. Однако на деле ученые наблюдают такую картину, словно мяч, подкинутый вверх, продолжает лететь без остановки, при том постоянно увеличивая свою скорость. И чтобы объяснить это ускорение, в математическую модель Вселенной была введена темная энергия.
Проблема заключается в том, что этот вид энергии был введен из-за наблюдаемого эффекта ускоренного расширения космического пространства. Нам до сих пор не известна истинная природа и свойства этого явления, но именно оно в конечном итоге и решит судьбу Вселенной.
Большой разрыв
С самого своего рождения Вселенная расширялась и продолжает расширяться. По непонятным причинам все космическое пространство одинаково растягивается во всех местах. Пространство между галактиками расширяется, поэтому они отдаляются друг от друга. Пространство внутри галактик также расширяется, однако на таких масштабах гравитация достаточно сильна, чтобы не дать галактике разлететься.
При сценарии Большого разрыва пространство будет расширяться все быстрее и быстрее, пока сил всех взаимодействий природы уже будет не достаточно, чтобы противостоять данному процессу. Сначала большие структуры, такие как галактики, будут разорваны. Потом будут разорваны звезды, планеты и черные дыры, поскольку гравитация, удерживающая эти тела вместе, будет недостаточно сильна по сравнению со значениями темной энергии.
Со временем темная энергия будет увеличиваться пока скорость расширения пространства не превзойдет скорость света на всех масштабах. В таких условиях все вещество распадется на отдельные элементарные частицы, которые больше никогда не смогут встретить друг друга. При таком сценарии Вселенная умрет превратившись в набор огромного числа одиноких элементарных частиц.
Тепловая смерть или Большое замерзание
Разница между Большим разрывом и Большим замерзанием заключается в том, что во втором варианте материя не распадается на элементарные частицы, а в течение времени преобразуется в излучение, в то время как Вселенная продолжает бесконечно расширяться.
Чтобы понять этот механизм, для начала нужно поговорить об энтропии . Каждая система стремится достичь состояния максимальной энтропии, как забытый горячий чай, который в конечном итоге приобретает температуру окружающей среды. Такой же принцип применим и к Вселенной, в которой по мере расширения сложные структуры распадаются на более простые и начинают равномерно распределяться по космосу.
Через множество поколений звезд все газопылевые облака, необходимые для создания звезд, закончатся, последние звезды погаснут и Вселенная станет темной. Позже, спустя триллионы лет, испарятся и последние черные дыры при помощи механизма под названием излучение Хокинга . В итоге Вселенную будут наполнять только нейтрино и фотоны , которые в конечном итоге аннигилируют.
Вся активность в космосе прекратится, энтропия достигнет максимального значения и таким образом Вселенная умрет. Однако существует вероятность того, что энтропия в такой ситуации может спонтанно уменьшиться из-за процесса под названием «квантовое туннелирование», что приведет к образованию нового Большого взрыва.
Большое сжатие и Большой отскок
Если значение темной энергии меньше, чем мы предполагаем или если это значение со временем начнет убывать, то в конечном итоге доминирующей силой во Вселенной станет гравитация. В таком сценарии через несколько триллионов лет темп расширения космического пространства начнет замедляться, пока не остановится вовсе. После этого начнется эпоха доминирования гравитации и Вселенная начнет сжиматься обратно.
Становясь все меньше и меньше фоновая температура космоса будет повышаться. За сто тысяч лет до Большого сжатия температура Вселенной будет выше, чем поверхность звезд. За несколько минут до Большого сжатия ядра атомов распадутся, а после будут поглощены сверхмассивными черными дырами. Эти черные дыры будут объединяться до тех пор, пока не останется одна огромная вездесущая черная дыра, которая и будет являться нашей Вселенной. Дальнейшее сжатие приведет к тому, что все пространство сожмется до сингулярности — изначального состояния Вселенной.
Теория Большого отскока говорит нам о том, что наша Вселенная родилась после Большого сжатия предыдущей и что этот процесс является цикличным.
Источник
Тёмная энергия
Из Википедии — свободной энциклопедии
