Является ли наша вселенная замкнутой системой

Может ли Вселенная быть закольцована и бесконечна

Представьте себе, что вы отправляетесь в космическое путешествие. Вы проплываете мимо Марса, Нептуна, Плутона, пронзаете пространство Млечного пути, вылетаете за пределы галактики, затем галактического кластера. Что же ждет дальше?

Весьма вероятно, что в конечном итоге вы вернетесь на исходную.

Ученые утверждают, что существует небольшая вероятность того, что Вселенная замкнута и представляет собой своего рода петлю. Все дело в том, что команда повторно проанализировала данные о космическом излучении, которое считается старейшим явлением во всей известной нам вселенной и, возможно, помнит еще Большой взрыв. И в данных этих обнаружилась странная аномалия.

Обзор данных эксперимента Европейского космического агентства выявил значительно больше случаев гравитационного линзирования микроволнового света (который и составляет космическое фоновое излучение), чем ожидалось. Это особенно озадачивает, потому что ученые в настоящее время не могут объяснить, как именно гравитация могла бы искривить этот микроволновый свет.

Чтобы учесть расхождения в своих расчетах, ученые добавили переменную A_lens в свою модель Вселенной. Но команда признает, что ее трудно согласовать с прочими известными параметрами, такими как общая теория относительности Эйнштейна. И вот почему: полученное стандартное отклонение 3,5 сигма намного ниже интервала в 5 сигма, на который физики полагаются для подтверждения теории.

Доказательства замкнутой системы мироздания есть и в другом документе космологов Кембриджского университета: когда они сравнил свои результаты с другими наборами данных, то вывели идею плоской, бесконечной Вселенной. В результате все еще больше запутались.

Подтверждение этой теории создаст огромную проблему для физиков и разрушит многие наши представления о Вселенной. Только время и большее число исследований помогут нам наконец докопаться до истины и понять, в какой Вселенной мы живем.

Источник

Астрономы доказали, что Вселенная замкнута. Что? Нет!

На этой неделе в журнале Nature Astronomy была опубликована статья, авторы которой утверждают о наличии небольшой глобальной положительной кривизны пространства. Эта новость получила широкую огласку как в зарубежных, так и в российских СМИ, причем ее обычно преподносят как прояснение формы Вселенной. Мы попросили постдока Университета Нью-Йорка Михаила Иванова прокомментировать эту работу.

Обработанная с помощью нейросетевого алгоритма Deep Dream карта линий галактического магнитного поля, полученная при анализе реликтового излучения

ESA / Planck Collaboration / Deep Dream Generator

Бурное развитие наблюдательной космологии, продолжающееся на протяжении последних десятилетий, позволило измерить фундаментальные параметры, описывающие нашу Вселенную, несколькими различными способами с процентной точностью.

Если существуют слабые эффекты физики за рамками стандартной космологической модели, то они могут проявиться в наблюдениях уже сейчас. С другой стороны, на достигнутом уровне точности многие систематические ошибки измерений начинают превосходить статистические, и поэтому проявление систематических эффектов можно ошибочно принять за сигнал новой физики.

В связи с этим весьма важно прояснить статистические аномалии в космологических данных, которые имеются уже сейчас. Наиболее важные из них — это противоречивые измерения постоянной Хаббла и амплитуды возмущений крупномасштабной структуры Вселенной, связанные также с аномалией линзирующего потенциала микроволнового излучения. Первый эффект уже был подробно описан и неоднократно освещался в материалах N+1 .

Что касается второго эффекта, то он заключается в следующем. Гравитационное линзирование фотонов реликтового излучения (РИ) структурами на малых красных смещениях приводит к размытию пиков барионных акустических осцилляций (БАО) в спектре флуктуаций температуры. Этот эффект можно понять так: траектории фотонов РИ искажаются из-за наличия структур случайным образом, вследствие этого корреляция между ними ослабевает, и некоторые особенности в спектре, такие как БАО, ослабевают.

Также гравитационное линзирование можно воспринимать как диффузию фотонов, которая размывает БАО аналогично тому, как диффузия разрушает акустические волны в обычной жидкости. Этот эффект может быть аккуратно вычислен, однако, наблюдаемое размытие, измеренное «Планком», оказалось существенно сильнее, чем предсказывается в рамках стандартной космологической модели ΛCDM.

Величину этого эффекта можно выразить через нефизический параметр A_lens, который должен быть равен единице в ΛCDM. Любопытно, что в последнем релизе «Планка» A_lens отличен от 1 на уровне статистической значимости в 3 сигма. При этом размытие пиков микроволнового излучения имеет место только на малых угловых масштабах (меньше 1/800 радиана).

Аномальное размытие представляет собой одну из причин того, что космологические параметры, измеряемые из спектров мощности флуктуаций температуры и поляризации на малых угловых масштабах, расходятся на уровне 3 сигма с параметрами, извлекаемыми из флуктуаций на больших угловых масштабах. Это несоответствие, однако, обычно интерпретируется как статистическая флуктуация. Такой точки зрения придерживаются многие космологи, в том числе участники коллаборации «Планк».

Это связано с тем, что «Планк» совершает множество независимых измерений, при которых отклонения на уровне 3 сигм обязаны происходить (look elsewhere effect). Сильным указанием на то, что это действительно флуктуация, является прямое измерение линзирующего потенциала РИ, которое отлично согласуется с предсказанием ΛCDM.

Размытие пиков и линзирование карт РИ являются двумя независимыми способами измерения одного и того же линзирущего потенциала. Не существует физической модели, которая бы приводила к разным искажениям в результатах этих двух измерений. Таким образом, наличие разногласия между ними может быть либо систематикой, либо флуктуацией, но никак не новой физикой.

Недавно опубликованная статья ученых под руководством Джозефа Силка (Joseph Silk) из Парижского института астрономии также касается эффект разногласия между измеряемыми «Планком» космологическими параметрами на больших и малых угловых масштабах.

Сразу необходимо заметить, что авторы используют только информацию о температуре и поляризации, игнорируя при этом измерения линзирующего потенциала. Если исследовать только выбранные данные, то предположение о наличии положительной пространственной кривизны позволяет снять разногласие между большими и малыми мультиполями. При этом отличие кривизны от нуля значимо на уровне 3 сигма.

Это наблюдение не ново и уже было сделано в статьях коллаборации «Планк». В новой работе ученые явно показывают, что при добавлении кривизны аномальное линзирование пропадает. Тем не менее, предложенная ими модель приводит к усилению других разногласий. Во-первых, она не сопоставима с измерением барионных акустических осцилляций в распределении структур на малых красных смещениях (SDSS, BOSS, eBOSS). Во-вторых, усиливается расхождением с прямым измерением линзирующего потенциала РИ.

В-третьих, усиливается расхождение с измерением слабого линзирования галактик обзором KiDS. В-четвертых, модель с кривизной предсказывает значение постоянной Хаббла на уровне 55 км/с/Мпк, что сильнее расходится с локальными измерениями, чем результаты оригинального анализа данных «Планка», то есть усугубляет напряженность Хаббла.

Таким образом, модель с кривизной находится в сильном противоречии с космологическими данными на малых красных смещениях. При этом надо иметь в виду, что вклад кривизны становится важен именно на малых красных смещениях, и поэтому данные измерения более чувствительны к ней, и они-то как раз предпочитают нулевую кривизну.

Основывать утверждения о кривизне только на данных «Планка» по температуре и поляризации при игнорировании данных линзирования, БАО и сверхновых методологически неправильно, и именно поэтому коллаборация «Планк» не делала сильных утверждений из того факта, что данные по РИ на больших красных смещениях предпочитают ненулевую кривизну.

Как только все данные объединены, кривизна становится равна нулю с большой статистической значимостью. Кроме того, модель с кривизной усиливает несогласие между разными независимыми измерениями космологических параметров настолько, что эти несоответствия нельзя больше рассматривать как статистические флуктуации. С этой точки зрения более предпочтительной моделью должна быть та, которая минимизирует несогласие, и такая модель есть — это обычная плоская ΛCDM с параметрами «Планка».

Резюмируя, опубликованная статья делает громкие утверждения на основе методологически неправильных манипуляций с данными, что не позволяет относится к полученным результатам как к надежным. Эта ситуация также указывает на слабый процесс реферирования в Nature Astronomy, который в данном случае повел себя как типичный «мусорный журнал».

Источник

Новое исследование предполагает, что Вселенная является замкнутой сферой

Ученые говорят, что ключ к искривлению Вселенной заключается в том, как гравитация изгибает путь света

Если вы находитесь внутри чего-то, вам трудно точно определить его форму. Мы до сих пор все еще узнаем что-то новое о форме нашей галактики.

Как тогда насчет формы Вселенной? Ее гораздо сложнее измерить, но годы наблюдательных данных, космологических моделей и физики говорят о том, что она пространственно плоская. Отправьте пучок фотонов через пустоту, и он будет продолжать двигаться по прямой линии.

Новое исследование утверждает обратное. Основываясь на данных, опубликованных в прошлом году и собранных спутником Планка Европейского космического агентства, астрономы доказывают, что Вселенная фактически искривлена ​​и замкнута, как раздувающаяся сфера.

Это означает, что пучок фотонов в конечном итоге вернется туда, откуда они начал свое движение, пересекая другие лучи, которые будут оставаться параллельными в сценарии плоской Вселенной.

Согласно исследованию международной команды астрономов во главе с Элеонорой ди Валентино из Манчестерского университета в Великобритании, их результаты представляют собой «космологический кризис», который требует «радикального переосмысления текущей космологической модели согласования».

Ученые говорят, что ключ к искривлению Вселенной заключается в том, как гравитация изгибает путь света, и этот эффект, предсказанный Эйнштейном, называется гравитационным линзированием.

Не только любой свет, но и космический микроволновый фон (реликтовое излучение). Это электромагнитное излучение, оставшееся в пространстве между звездами и галактиками, начиная примерно с 380 000 лет после Большого взрыва, когда сформировались первые нейтральные атомы Вселенной.

Как только вы заблокируете все другие источники света, пространство будет слабо светится, что-то вроде фоновой статики. Это самый старый свет во Вселенной, обладающий высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела, с плотностью энергии 400-500 фотонов/см 3 .

Если посмотреть на данные со спутника Планка, и в частности на данные 2018 года, они показывают, что реликтовое излучение подвергается гравитационной линзе более сильной, чем должно было быть. Коллаборация Планка назвало эту аномалию Alens, и это еще не решено, но команда ученых считает, что одним из объяснений может быть форма Вселенной.

«Закрытая Вселенная может дать физическое объяснение этому эффекту, поскольку космические микроволновые фоновые спектры Планка теперь предпочитают положительную кривизну при уровне достоверности более 99 процентов», – пишут они.

«Здесь мы дополнительно исследуем доказательства существования закрытой Вселенной от Планка, показывающие, что положительная кривизна естественным образом объясняет аномальную амплитуду линзирования».

Закрытая Вселенная может объяснить эту аномалию, но есть несколько больших проблем, не в последнюю очередь из-за того, что все другие анализы наборов данных Планка, включая данные 2018 года, приводят к выводу, что наши космологические модели верны. А они включают в себя плоскую Вселенную.

Есть и другие проблемы, и исследователи постаралась отметить это в своей статье. Одним из них является постоянная Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, нерешенная проблема космологии. Не существует двух одинаковых измерений постоянной Хаббла, и искривление Вселенной только затрудняет ее предсказание.

Данные барионных исследований акустических колебаний темной энергии – неизвестной энергии, ускоряющей расширение Вселенной – также не согласуются с моделью замкнутой Вселенной, как и данные о космическом сдвиге, полученные из наблюдений гравитационного линзирования.

Астрофизики Джордж Эфстатиу и Стивен Граттон из Кембриджского университета также проанализировали данные Планка за 2018 год и нашли доказательства кривизны вселенной, но когда они сравнили их с другими наборами данных Планка и данными об акустических колебаниях барионов, они обнаружили “убедительные доказательства в поддержку пространственно плоской Вселенной”.

Таким образом, в широком смысле, большая часть данных, кажется, подтверждает плоскую Вселенную, за исключением аномалии Аленса. Это проблема, которая должна быть решена в будущем.

«Будущие измерения необходимы для выяснения того, являются ли наблюдаемые расхождения следствием необнаруженной систематики, новой физики или просто статистическим отклонением», – пишут ученые в своей статье. Исследование было опубликовано в Nature Astronomy.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Как может образоваться замкнутая Вселенная? Продолжение предыдущей статьи

В прошлой статье «Замкнутая Вселенная – как это получается, как это объяснить попроще, и почему из нее невозможно выйти» я попытался объяснить в рамках курса общей физики свойства замкнутой Вселенной. То, что наша Вселенная является с очень большой вероятностью замкнутой, следует из данных по измерению постоянной Хаббла, средней плотности вещества, возрасту звезд и уравнений общей теории относительности (далее ОТО). Правда, пока превышение измеренной плотности над критической, при которой Вселенная была бы бесконечной, невелико – всего 2%. Потому дискуссии по этому вопросу лучше отложить до тех пор, пока не будет новых данных. Тем не менее, если для образования замкнутого мира конечного объема (а в самом начале — микроскопического) можно предложить несколько возможных механизмов, то для появления открытой вселенной бесконечных размеров объяснения придумать довольно сложно. Между тем многочисленные экспериментальные подтверждения Большого взрыва доказывают, что начало у Вселенной было. Сейчас мы рассмотрим вопрос, как может возникнуть именно замкнутая вселенная (не обязательно наша), описанная в предыдущей статье. Варианты тут могут быть разные, например, была модель возникновения замкнутого мира в результате квантовой флуктуации. Однако после открытия Хокингом в 1974 г. испарения черной дыры появился менее экзотический механизм. В 1976 г. Я.Б. Зельдович предположил, что в результате испарения возникает замкнутая Вселенная.

Как и в предыдущей статье, предполагается определенный минимум знаний по физике, непременно ОТО, хотя бы в небольшом объеме. Здесь материал намного сложнее, так что необходимых знаний требуется гораздо больше. Школьного курса физики будет недостаточно. Чтение популярных книг по космологии не заменит вузовского курса физики, по каким-то причинам не усвоенного в институте.

ИСПАРЕНИЕ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ

Рассмотрим черную дыру (далее ЧД), которая испаряется в соответствии с теорией Хокинга. Время полного испарения по часам удаленного наблюдателя очень велико, потому предполагаем для простоты, что она находится в открытой Вселенной, время жизни которой бесконечно. Что происходит с веществом внутри черной дыры в процессе испарения, с частицами, упавшими под горизонт? Не подумав, многие ответят, что они-то и испаряются. Ответ, очевидно, неправильный, так как никакая частица, никакое излучение, не могут покинуть ЧД. Горизонт можно пересечь только в одном направлении — внутрь. Тогда возникает вопрос, откуда берется излучение, попадающее к удаленному наблюдателю? В предыдущей статье я показал с помощью простых, хотя и нестрогих, соображений, как гравитационное поле может уменьшить массу или энергию покоя вещества вплоть до нуля, не меняя его количества, то есть числа частиц. Испарение черной дыры и есть перекачка энергии покоя частиц внутри черной дыры наружу. Более того, в процессе испарения черной дыры количество вещества в ней должно увеличиваться, просто следует еще раз напомнить, что, как объяснялось в предыдущей статье, увеличение количества вещества может приводить к уменьшению массы/энергии и размеров!

Рассмотрим удаленного наблюдателя, медленно приближающегося к горизонту черной дыры. Если на большом расстоянии наблюдатель определит по излучению температуру T горизонта согласно формуле Хокинга T=, где — постоянная Планка, с — скорость света, k — постоянная Больцмана, r_g — гравитационный радиус черной дыры, r — радиальная координата наблюдателя в метрике Шварцшильда, то при приближении к горизонту наблюдаемая частота фотонов будет увеличиваться в (1 — r_g/r) -1/2 раз [1],§102. Также будет расти и наблюдаемая температура горизонта. В результате наблюдатель около горизонта увидит очень горячую поверхность. Излучение, которое возникает вблизи горизонта, не все уходит на бесконечность – часть его попадает внутрь черной дыры, поскольку направлено к горизонту или под большим углом к радиусу. Но это только часть прироста внутри черной дыры. Поскольку ее наблюдаемая извне масса падает в результате испарения, то, с точки зрения удаленного покоящегося наблюдателя, возникает парадокс – никакая масса/энергия не может покинуть сферу горизонта, а масса/энергия черной дыры падает. Парадокс был замечен, как ни странно, достаточно поздно. Единственно возможный механизм убывания массы/энергии черной дыры – поглощение частиц с отрицательной энергией.

Начнем с объяснения самого основного – как гравитационное поле может рождать материю. Впервые эта идея была высказана Я.Б.Зельдовичем. Для иллюстрации есть хорошо известный эффект Швингера – рождение электрон-позитронных пар сильным постоянным электрическим полем [2]. Пара виртуальных частиц «электрон – позитрон» может стать реальными, получив от внешнего постоянного электрического поля энергию порядка mc 2 , m — масса электрона. Для этого электрон должен туннелировать через потенциальный барьер, пройдя в ускоряющем электрическом поле расстояние порядка , E — напряженность поля, e — заряд электрона. Разумеется, это сильно упрощенная картина, не имеющая отношения к методу, разработанному Швингером.

Также, как в эффекте Швингера, на виртуальные частицы вблизи горизонта действует сила тяготения, которая может сообщить им дополнительную энергию, достаточную, чтобы стать реальными. Имеется аналог эффекта Швингера – эффект Унру: наблюдатель, летящий с постоянным ускорением в вакууме (вакуум с точки зрения покоящегося наблюдателя), наблюдает не вакуум, а тепловое излучение, соответствующее температуре T, [3]. Поскольку постоянное ускорение эквивалентно однородному гравитационному полю, сходство механизмов очевидно.

Если в системе отсчета удаленного наблюдателя существует поток частиц положительной энергии ОТ черной дыры, то ее масса/энергия убывает. Тогда должен существовать поток частиц с отрицательной полной энергией (с точки зрения удаленного наблюдателя, в его системе отсчета), падающий внутрь ЧД. Иным способом уменьшаться масса черной дыры не может – движение любого тела, любого носителя энергии возможно только внутрь горизонта. Это могут быть виртуальные частицы, туннелирующие внутрь горизонта, где они, получив энергию от гравитационного поля, становятся реальными. Такая картинка, разумеется, чрезмерно упрощена в целях понимания. Более точно, под горизонтом должен появиться поток частиц, которые не могли существовать, как реальные, снаружи ЧД, так как имели бы отрицательную энергию. Только таким образом можно обеспечить поток энергии наружу ЧД, регистрируемый удаленным наблюдателем. Я не настолько хорошо знаю литературу по этому вопросу, чтобы указать статью, где была решена такая задача, но упоминание в литературе о подобном эффекте есть.

Таким образом, испарение ЧД увеличивает число частиц внутри горизонта, уменьшая ее массу. Тут нет никакого противоречия, как объяснялось в предыдущей статье. Но это не единственный механизм рождения материи гравитационным полем. При коллапсе даже идеальной сферы гравитационное поле внутри материи быстро меняется. Такое переменное поле должно рождать частицы, которые большей частью останутся внутри ЧД. Далее, при коллапсе реальной несферической массы вблизи сингулярности, когда материя сжимается в точку, неизбежно возникает режим “Mixmaster Universe”[4], открытый В.А. Белинским, Е.М.Лифшицем и И.М.Халатниковым. При этом происходят неоднородные хаотические сжатия и растяжения, сопровождающиеся рождением частиц. Правда, это не меняет массу черной дыры, наблюдаемую извне.

В результате к концу испарения ЧД в ней окажется гораздо больше вещества, чем вначале, хотя наблюдаемые извне масса и размер обращаются в нуль, аналогично примеру, разобранному в предыдущей статье. Гравитация перекачала всю собственную энергию этого вещества наружу, обойдя запрет на выход из-под горизонта. Как объяснялось в предыдущей статье, это и есть замкнутая вселенная. При этом надо помнить, что масса/энергия вещества внутри замкнутого мира равны нулю ТОЛЬКО для внешнего наблюдателя. Внутренний наблюдатель будет регистрировать гравитационное поле окружающего вещества, его массу и т.п., окружающее вещество для него совершенно реально, точно также, как и для нас. В этом состоит один из самых удивительных эффектов ОТО.

ПОСЛЕ ИСПАРЕНИЯ

Как доказано математически, например, Пенроузом, в рамках классической ОТО коллапс приводит к сжатию вещества в точку. Дальнейшее продолжение решения за сингулярность с точки зрения математики невозможно. Однако ясно, что на очень малых масштабах классическая (неквантовая) теория неприменима, хотя бы потому, что невозможно измерять расстояния, меньшие планковской длины 1.6х10 -35 м, G — гравитационная постоянная, поскольку на таких масштабах квантовые флуктуации гравитационного поля приводят к тому, что метрический тензор не имеет определенного значения подобно координате электрона в атоме. Из общих соображений можно предполагать, что сжатие остановится при подобных размерах или раньше. Дело в том, что, строго говоря, уравнения ОТО, написанные Эйнштейном, содержат только первые, линейные по тензору кривизны, члены. Для этого были веские причины. Во-первых, более сложные уравнения исследовать было бы очень сложно. Во-вторых, ньютоновская теория достаточно точно предсказывала движение планет, потому следующего приближения должно было хватить, и оказалось именно так для макроскопических масштабов. В третьих, кривизна нашего пространства, получающаяся из ОТО, очень мала, соответствующий радиус кривизны — миллиарды световых лет. Поэтому линейное приближение справедливо до тех пор, пока кривизна пространства не становится слишком большой. Тогда в уравнениях должны учитываться следующие, квадратичные по тензору кривизны, члены, однако соответствующие коэффициенты уже невозможно определить из сравнения с теорией Ньютона.

Необходимо сделать содержательное предположение о природе гравитации. Впервые такие поправки в общем виде написал и оценил их величину А.Д. Сахаров в 1966 г. [5], исходя из своей гипотезы о гравитации, как результате действия квантовых флуктуаций всех полей. Как и следовало ожидать, исходя из предполагаемой природы поправок, они становились существенны, когда радиус кривизны порядка планковской длины. К сожалению, эта замечательная работа не получила продолжения, и была забыта. Через 13 лет эти идеи были снова выдвинуты и доведены до законченной теории в работах Старобинского, Муханова [6] и др… Было показано, что такие поправки в космологии работают против притяжения. Потому разумно предположить, что они могут остановить коллапс при очень больших значениях кривизны пространства, при очень малых размерах. Тогда в соответствие с уравнениями ОТО должно начаться расширение – других разумных решений у уравнений просто нет. Это и есть начало эволюции замкнутой вселенной. Если бы расширение происходило не в замкнутом мире, а под горизонтом ненулевого размера, то соответствующее решение было бы «белой дырой» — как бы черной дырой наоборот. Есть такая область в полном решении уравнений ОТО о сферическом сжатии материи [1],§103, где материя движется только от центра, причем под горизонтом невозможно движение к центру, только наружу. По-видимому, белая дыра невозможна, поскольку выглядит достаточно абсурдно – она не притягивает, а отталкивает. Поэтому следует предположить, что расширение происходит уже в замкнутом мире, отколовшемся от внешней вселенной. То есть если для внешнего наблюдателя процесс испарения ЧД и ухода материи в замкнутый мир занимает безумно долгое время: 10 74 сек для массы Солнца, то для наблюдателя, падающего в ЧД на границе коллапсирующей материи этот процесс занимает столько же, сколько падение в центр – очень быстро, за время порядка r_g/c.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. И НЕМНОГО РАЗЪЯСНЕНИЙ

Испарение ЧД дает наиболее простой механизм образования замкнутой вселенной. Прочие гипотезы вроде квантовой флуктуации выглядят гораздо более экзотическими. Такой механизм позволяет объяснить возникновение Вселенной вроде нашей, содержащей огромное количество вещества. Выяснилось, что астрономически большого количества материи в ЧД и не требуется. В начальной стадии после Большого взрыва происходит интенсивное рождение материи гравитационным полем — эту идею первым выдвинул Я.Б Зельдович, теория построена в работах А.А. Старобинского, В.Ф. Муханова, Г.В. Чибисова и других. Применительно к нашей Вселенной оказывается, что наилучшее согласие с данными по реликтовому излучению получается, если считать, что в начальный момент материи не было или почти не было. В работах [6] В.Ф. Муханова рассматривался вариант, когда вся материя рождается гравитационным полем.
Я не привожу ссылок на оригинальные работы, поскольку здесь попытался дать просто изложение имеющихся представлений, которые почерпнул из обзоров. По ссылке [3] читатель найдет наиболее простое и доступное изложение вывода излучения Хокинга и эффекта Унру. По ссылке [7] — хороший обзор литературы и упрощенное изложение ряда современных теорий. Книг и статей в интернете вполне достаточно, и образованный в физике читатель без труда найдет более подробное изложение любого вопроса, затронутого в настоящей статье. Моей задачей было дать представление об общей картине. Добавлю напоследок написанную очень доступно обзорную статью Я.Б. Зельдовича [9], где он, в частности, изложил свои соображения в пользу замкнутости Вселенной. Очень рекомендую прочесть.

Попутно воспользуюсь случаем разъяснить термины, часто появляющиеся в популярных статьях и книгах по космологии. Это — «темная энергия» и «темная материя», о которых у большинства читателей темное представление. «Темная энергия» — это наукообразное название для давно известной вещи, космологической постоянной [1],§111. Ее впервые ввел Эйнштейн, рассматривая возможный вид уравнений ОТО в виде

где — тензоры кривизны, энергии-импульса и метрический, R — след тензора кривизны, а — космологическая постоянная. Изначально Эйнштейн полагал отличным от нуля, чтобы получить статическое решение для Вселенной, но в дальнейшем отказался от этого слагаемого, как не имеющего понятный физический смысл и не подтвержденного наблюдениями. Тем не менее такое слагаемое не противоречит никаким физическим принципам. В работе Сахарова [5] является плотностью энергии нулевых колебаний всех полей в плоском пространстве ( с точностью до постоянного множителя). Такая интерпретация многими принята на сегодняшний день, возможно, слегка подправленная, хотя она не единственно возможная. При положительном возникают серьезные изменения в решениях уравнений ОТО для Вселенной. В этом случае замкнутая Вселенная не обязательно перестает расширяться с последующим сжатием – она может перейти к режиму ускоренного расширения, называемому деситтеровским, по имени де Ситтера, получившего это решение. Радиус Вселенной растет со временем по экспоненциальному закону. Именно к таким результатам пришли астрономы, изучавшие сверхновые звёзды в 1998 г., из наблюдений было вычислено значение .

Иногда пишут об отрицательном давлении «темной энергии». Это туманное утверждение имеет простой физический смысл. Если у вас есть замкнутый объем, вне которого поле отсутствует, то энергия нулевых колебаний поля растет с увеличением объема – появляются новые уровни энергии [8]. Если одна из стенок является подвижным поршнем, то для увеличения объема придется совершить работу над поршнем – увеличить энергию нулевых колебаний, то есть поршень стремится двигаться внутрь. Для электромагнитного поля это называется эффектом Казимира и было подтверждено экспериментально. Газ стремится раздвинуть стенки, у него положительное давление, двигающее поршень наружу. В этом смысле у нулевых колебаний отрицательное давление, но никакой антигравитации тут нет.

Темная материя никакого отношения к «темной энергии» не имеет. Это реальное вещество с массой, которое по неизвестным пока причинам не видно астрономам непосредственно. Его присутствие и доля в общей массе во Вселенной доказаны по гравитационному воздействию на траектории звезд и световых лучей. Сначала предполагали, что это холодный газ, но даже он не мог быть настолько прозрачен для света и радиоволн. По-видимому, эти частицы не взаимодействуют с электромагнитным полем. Несмотря на то, что его доля в общей массе наблюдаемого космоса оценивается свыше 70%, в ближайших окрестностях Солнечной системы темной материи практически нет, так что ее частицы зарегистрировать не удается.

Источник