Тёмная энергия, ускоренное расширение и сохранение энергии: как всё это сочетается вместе?

Original author: Ethan Siegel
  • Translation
У меня уже давно сложилось мнение, что у проявляющих себя в различных формах сил материи один источник. Или, иначе говоря, они так напрямую связаны и взаимно зависят друг от друга, что могут превращаться друг в друга, и энергия их действий эквивалентна.
— Майкл Фарадей

Сотни лет существовала идея, согласно которой нельзя получить что-то из ничего, и она появилась задолго до того, как мы узнали про важнейший закон сохранения во Вселенной: закон сохранения энергии.

image

К примеру, катящийся с холма шар, набирающий скорость и кинетическую энергию, не получает их из ниоткуда! Он превращает в кинетическую другую форму энергии – гравитационную потенциальную. И в любой момент путешествия общее количество энергии – его кинетическая и потенциальная – остаётся неизменным.

При рассмотрении замкнутой системы, такой, которая не может получать энергию извне или терять её, закон сохранения энергии работает идеально.



Земля, к примеру, не является закрытой системой. Она получает свет и энергию отовсюду из Вселенной, в основном от Солнца, а также излучает энергию в космос. Солнце – также не закрытая система, поскольку постоянно излучает энергию в космос, но эта энергия тоже не берётся из ниоткуда. Она создаётся преобразованием энергии массы покоя в свет и тепло (и нейтрино) через ядерный синтез и E = mc2. Если включить все источники исходящей и поступающей энергии для любой системы во Вселенной, закон сохранения работает.



И хотя существуют определённые странные квантовые явления, на первый взгляд нарушающие этот закон, на масштабах от субатомных до космических, но если вы подсчитаете всю поступающую и исходящую энергию, закон всё равно продолжит работать.

Как же нам тогда ответить на вопрос одного из астрофизиков:

Каков источник энергии у ускоряющейся вселенной?

Потрясающий по глубине вопрос. Давайте начнём с того, что это значит – жить в ускоряющейся Вселенной.



Можно представить себе раннюю Вселенную – хотя бы наблюдаемую её часть – как горячую, плотную и быстро расширяющуюся сферу из вещества и энергии. Но также известно, что если ваша вселенная наполнена материей и энергией, то сила гравитации сделает всё, что можно, чтобы стянуть эту расширяющуюся Вселенную обратно. Поэтому, проще говоря, мы получим следующее: изначально быстро расширяющуюся Вселенную, которую гравитация пытается замедлить, обратить вспять и снова привести к коллапсу.

На картинке выше левая диаграмма представляет расширяющуюся Вселенную, в которой гравитация победила. Изначального расширения недостаточно для имеющейся материи и энергии, и Вселенная в итоге обращает расширение вспять, и коллапсирует в Большом сжатии. Второе изображение показывает Вселенную, в которой не хватило всего одной субатомной частицы для повторного сжатия. В этом случае скорость расширения будет уменьшаться, асимптотически стремясь к нулю, но не достигая его. Третий случай – Вселенная низкой плотности – продолжает расширяться вечно, поскольку гравитационное притяжение всего вещества и излучения неспособно противостоять изначальному расширению.



Остаётся четвёртый, действительный случай ускоряющейся Вселенной. Эта Вселенная наполнена тёмной энергией, или же конечной положительной энергией вакуума, присущей самому пространству. И в этом случае расширение Вселенной не просто «не замедляется достаточно» для того, чтобы произошёл коллапс – оно так велико, что удалённые галактики удаляются от нас всё быстрее и быстрее! Это значит, что если мы возьмём конечную сферу материи и энергии и дадим ей расширяться, то её радиус будет увеличиваться следующим образом:



Наша Вселенная отличается от случая повторного коллапса (оранжевый). Она не похожа ни на критический (зелёный) случай, ни на случай малой плотности (синий). Наша Вселенная увеличивается с экспоненциальной скоростью, как показывает красная кривая. Согласно лучшим измерениям, плотность энергии космоса (плотность тёмной энергии) не увеличивается и не уменьшается, а остаётся постоянной.

Но это может привести вас в замешательство. Если плотность энергии постоянна, а пространство расширяется, не нарушает ли это закон сохранения энергии? Иначе говоря, не производим ли мы всё больше энергии со временем, которая на самом деле должна сохраняться?



Технически, можно выкрутиться из этой сложности, отметив, что данная мною картина не совсем соответствует действительности. Крупномасштабная Вселенная управляется Общей теорией относительности, выступающей теорией гравитации. Строго говоря, в ОТО энергия не определяется, так что чего волноваться по поводу её сохранения? Но есть хитрый способ рассматривать «энергию», позволяющий нам доказать её сохранение даже в такой парадоксальной ситуации.

Помните, что кроме химической, электрической, тепловой, кинетической и потенциальной энергии есть ещё и работа.


Василий Иванович Алексеев – советский тяжелоатлет, двукратный олимпийский чемпион и восьмикратный чемпион мира

В физике работа – это приложение силы к объекту, направленной туда же, куда движется объект. Это значит, что если вы прикладываете силу, направленную вверх, к грузу, двигающемуся вверх, вы совершаете положительную работу (добавляете энергию в систему). Но если вы прикладываете силу, направленную вверх, к грузу, двигающемуся вниз, вы совершаете отрицательную работу (удаляете энергию из системы).

Это легче представить, если положить на руку книгу, и поднимать или опускать её.



Когда вы давите в направлении движения книги, то совершаете положительную работу, и добавляете энергию в систему. Когда вы давите в противоположном направлении, то совершаете отрицательную работу.

Теперь вернёмся к Вселенной. У вас есть расширяющийся сферический объект, и сферу наполняет энергия постоянной плотности (тёмная энергия). Вы представляете собой положительную энергию. При помощи гравитации стягиваете эту сферу внутрь. Но что делает сфера?



Она расширяется. Иначе говоря, вы тяните в направлении, противоположном расширению, и совершаете отрицательную работу. Тогда почему же расширение ускоряется? Конечно, положительная плотность тёмной энергии означает, что она притягивается ко всей материи во Вселенной, но скорость расширения зависит от величины её отрицательного давления. И, отвечая на вопрос, откуда берётся энергия для «тёмной энергии», можно сказать, что она происходит от отрицательной работы, совершаемой над расширяющейся Вселенной!

Говоря более техническим языком, как Кэррол, Пресс и Тёрнер в 1992:
Этот участок совершает отрицательную работу над своим окружением, поскольку его давление отрицательно. Если предположить, что он расширяется адиабатически, можно приравнять эту отрицательную работу к увеличению массы/энергии участка. Таким образом можно получить правильное уравнение состояния тёмной энергии:

$P = – \rho c^2$


Так что с математикой тут всё в порядке. Вот так энергия может сохраняться даже во Вселенной, заполненной тёмной энергией!

Similar posts

Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 44

    0
    Можно ли добывать эту энергию и направлять в полезное для нас русло?
      +1
      Не можно, а нужно!
      Сталкивался с гипотезой, что такая добыча могла бы спасти от "Большого разрыва".
      Для добычи предлагалось соединить «веревкой» два тела на очень большом расстоянии друг от друга. Расширение Вселенной растягивая «веревку» совершает работу, и часть собранной энергии надо будет направлять на производство материала для удлинения этой «веревки». Таким образом плотность обычной материи в области этой электростанции будет расти и противодействовать ускоренному расширению.
        +5
        Прямо сюжет для Голливудского фильма. "

        Вселенной грозит Большой Разрыв. Никто, как водиться, в это не верит, кроме одного фрика-учёного, обиженного на весь мир и ведущего отшельнический образ жизни.

        Но вот признаки конца света проявляются всё более явно. Правительства крупных стран замечают проблему, но держат всё в секрете, о котором случайным образом узнаёт журналистка. И вот она пытается докопаться до правды и в ходе своего расследования находит фрика-учёного, который и раскладывает перед ней масштаб пушного зверька, который готовиться к приходу. Совместными усилиями они выводят правительства на чистую воду по пути влюбляясь друг в друга.

        В это время признаки проявляются всё сильнее и уже начинает волноваться общественность. Единым фронтом всё человечество объединяет свои усилия для спасения Вселенной. Под руководством фрика-учёного создает большой количество тел, соединенных веревками и начинается массовая добыча энергии. Вселенский песец испугавшись отступает. Человечество ликует. Журналистка и фрик стоят обнявшись и смотрят на закат спасенного Солнца. Титры."
          0
          :) Да вам в писатели дорога :)
            0
            Где билеты купить?)
              0
              Сам бы с удовольствием сходил :)
              0
              Мы с коллегами, когда про эту гипотезу услышали, предложили другой сюжет.
              В нем приходит сообщение от другой цивилизации участвовать в таком проекте, поскольку в одиночку его не потянуть.
              Говорят в книге Сагана «Контакт» что то похожее есть, но в фильм это не вошло.
                0
                радиогалактика «Лебедь-А»
              0
              /me совсем не физик. Но ведь веревка будет расширяться вместе со вселенной, а следовательно, не будет испытывать сил со стороны этих тел? Не?
                0
                При расширении она будет натягиваться, а потенциальную энергию натяжения можно перевести в другие виды, если нарастить длину веревки.
            0
            Оффтоп:
            А вот интересно. Многие формулы физики верны для инерциальных систем, но ведь земля по сути таковой не является (вращается вокруг оси, солнца, центра галактики). Как это согласуется с Ньютоновской физикой? Или отклонения столь незначительны, что их не замечали?
              0
              Доп эффекты дают ну очень незначительные отклонения.
              Потипу такого — если нарисовать треугольник на земле, то сумма его углов должна быть больше чем 180 т.к. на самом деле он же нарисован на поверхности сферы. Но можно ли это заметить обычным транспортиром?
                0
                Земля — это тело, а не система отсчёта. Сформулируйте вопрос правильно, и ответ будет очевиден.
                0
                Ограничение можно обойти, введя фиктивные «силы инерции» (центробежная, Кориолиса и т.д.). А в ОТО такого и вовсе нет, она работает как в инерциальных, так и в неинерциальных системах.
                  –1
                  Почему просто не ввести дополнительное измерение — источник квантов той космической среды, которая расширяется? Есть же наглядная модель этого процесса — расширение плотной среды ряски на воде за счёт дополнительного, вертикального к ней измерения.
                  Для пространства Вселенной дополнительное пятое измерение является не геометрическим, не временным, а масштабным. Оно проявляется в трёх вещах — в расширении плотного эфира/вакуума без снижения своей плотности, в механизме гравитации, в эволюции материи — в образовании всё более масштабных представителей её новых форм организации.
                  0
                  Кипит суп на плите. В нем образуются пузыри. Если наблюдатель находится внутри одного из пузырей и «радиус его зрения» находится в пределах пузыря, то о самом супе такой наблюдатель будет иметь очень поверхностные знания.

                  Что, если вся наблюдаемая Вселенная находится в пределах подобного пузыря? Что, если мир за пределами пузыря очень сильно отличается от того, который наблюдаем мы? Причем я не говорю, что там совсем другие законы физики или что-то подобное. Может, например, просто плотность материи на единицу объема пространства существенно выше, чем мы наблюдаем в пределах «зоны нашей видимости».

                  И, да, это просто мысли вслух…
                    +1
                    Ну, вот, стоило мне задать риторический вопрос, как Этан ответил на него, а редактор Хабра перевёл. :-)

                    Оперативно! Чудеса да и только! ;-)

                    То есть у нас есть:

                    обычная локальная физика
                    квантовая физика со своими «странными» законами
                    физика «искривлённого пространства времени»
                    «темная физика» где энергия просто себе растёт из ниоткуда

                    — Но у меня нет понятия, как это всё совмещается, к примеру, в одной локальной точке пространства.

                    — Но что означает «одна локальная точка пространства? У нас четыре разных физик — но каждая для своего ментального понятия. Зачем их совмещать? Они ментально никак не совместимы.
                    Если в обычной локальной физике работает закон сохранения энергии, то в „тёмной физике“ он не работает, но это неважно.
                    Если в обычной локальной физике мы можем точно определить где находится частица и какой она имеет импульс, то в квантовой физике это не проходит, но это неважно.
                    Если в обычной локальной физике мы можем точно описать и „гладкое“ пространство и время, то в ОТО мы имеем „искривлённое“ пространство время, но это неважно.

                    — Но если я хочу всё это совместить в одной локальной точке. Все эти разные физики с разными своими понятийными объектами. И это оказывается просто невозможно. Ментально невозможно.

                    — Не надо совмещать несовместимое.

                    — Но я хочу понять!

                    — Не надо понимать — »Заткнись и считай" (С) — Каждая из этих физик отлично описывает свою ментальную реальность — и используется на практике! Каждая. Но по отдельности. Не надо их смешивать.

                    — Почему я не могу их смешать? Хоть как-то совместить. Они же не совмещаются то.

                    — Не надо их совмещать. Но если очень хочется, придумай Закон о том, что они совместимы как-то хитро, как-то так, чтобы больше не спрашивать об их совместимости в локальной точке реального пространства.

                    — Хорошо. Я подумаю над этим Законом. Законом совместимости несовместимого. (С)

                    — Вот и лады.


                    Из статьи:
                    Строго говоря, в ОТО энергия не определяется, так что чего волноваться по поводу её сохранения?

                    Мало того в ОТО и силы не определяются. Так что вывести из ОТО закон обратных квадратов (ньютоновский закон тяготения) мало того что не просто, так и очень не просто.
                    Не верите? — А вы попробуйте. :-)

                    Из статьи:
                    Но есть хитрый способ рассматривать «энергию», позволяющий нам доказать её сохранение даже в такой парадоксальной ситуации.

                    Отлично, вот и попытка определить Закон совместимости несовместимого. (С)

                    Имхо, конечно, имхо.

                      0
                      Мало того в ОТО и силы не определяются. Так что вывести из ОТО закон обратных квадратов (ньютоновский закон тяготения) мало того что не просто, так и очень не просто.
                      Не верите? — А вы попробуйте. :-)


                      Если есть желание — можно и силы определить в ОТО, и это несложно. Просто «с позиции силы» в релятивистской динамике не принято работать. В гравитационном поле решают уравнения для получения геодезических, если хотят найти движение.

                      Вы не поверите, вывести закон обратных квадратов из ОТО не просто, а очень просто. (Отдельная благодарность Шварцшильду).
                        0
                        choupa >
                        Вы не поверите, вывести закон обратных квадратов из ОТО не просто, а очень просто. (Отдельная благодарность Шварцшильду).

                        Просто — это когда вы берёте, к примеру, релятивистскую формулу сложения скоростей и устремляете скорости к скоростям гораздо меньшим скорости света и, оба-на, у вас просто выходит обычная скорость сложения скоростей. Школьная физика.

                        А вот подобный же фокус с формулой тяготения Эйштейна в ОТО проделать вам просто так не удастся.

                        Так что не просто это определить силы в ОТО, где при выводе формул понятие ни силы ни энергии не используется!
                      0
                      кинетическую другую форму энергии – гравитационную потенциальную

                      Которая откуда берется?
                        0
                        А почему зеленый график не перешел в горизонтальную прямую если скорость расширения стремится к нулю?
                          0
                          Возможно, шкалы времени не хватило?
                            0
                            Потому что статичная Вселенная невозможна — она нестабильна и тут же начнет схлопываться. Зеленый график определяет режим, когда скорость расширения достигнет нуля только в бесконечности, т.е. размер будет расти все медленнее и медленнее, скорость будет все падать и падать (и когда-нибудь она упадет ниже любой указанной скорости) — но тем не менее при этом Вселенная рано или поздно перерастет любые указанные размеры.
                          0
                          Так я и не понял — а как отталкивание частичек пыли в банке (пусть даже если его сила пропорциональна расстоянию) может привести к увеличению объёма самой банки?
                          Особенно если у банки нет стенок, на которые эта пыль может давить.
                          По мне — это приведёт лишь к сбиванию пыли в комки.
                            0
                            отталкивание частичек пыли в банке (пусть даже если его сила пропорциональна расстоянию)
                            это приведёт лишь к сбиванию пыли в комки.
                            В таком режиме облако пыли будет расширяться экспоненциально. Комки могут образоваться, только если между пылинками есть какие-то близкодействующие силы притяжения (гравитация?), которые на некотором расстоянии и ближе пересилят отталкивание. Собственно, галактики потому и не разваливаются, хотя отталкиваются от других галактик.
                            может привести к увеличению объёма самой банки
                            Так нет никакой банки. И нет никаких стенок. Есть только пыль.
                              0
                              В таком режиме облако пыли будет расширяться экспоненциально.
                              Да — но только если есть свободные объёмы куда. У нас же шарик хоть и надувается с ростом площади поверхности — но как связана прилипшая к поверхности пыль с воздухом внутри шарика? Пыль только по поверхности скользить умеет.
                              Комки могут образоваться, только если между пылинками есть какие-то близкодействующие силы притяжения (гравитация?)
                              Постулировано возрастание силы с расстоянием. Т.е. при околонулевом расстоянии взаимного отталкивания нет — но есть «сжимающая» сила от других комков. Примерно так и получится «пенообразная» макроструктура. Ну а дальше — гравитация.
                                0
                                Откуда вообще взялись эти «свободные объемы», «шарик», «поверхность», «воздух внутри»? Мы про Вселенную говорим или про что?
                                  0
                                  Вселенная содержит:
                                  1) Материю в виде элементарных частиц
                                  2) Некий конечный объём пространства
                                  И то и другое возникло при БВ.
                                  Частицы взаимодействуют друг с другом — но и всё. Пространства сколько есть, столько есть.
                                    0
                                    Некий конечный объём пространства
                                    Пространства сколько есть, столько есть.
                                    И что же ограничивает Вселенную? Что мешает вышеупомянутой пыли улететь куда ей хочется?
                                      0
                                      Прежде всего — откуда возьмётся это «куда»?
                                      Возраст Вселенной 13,75 млрд лет, соответственно радиус наблюдаемой части чуть меньше.
                                      Реальный же размер больше не менее чем на пару-тройку порядков.
                                      Есть красное смещение, которое свидетельствует о том, что пространство продолжает «растягиваться». Но сколько размера есть — столько есть.
                                        0
                                        Еще раз повторяю вопрос: если вдруг житель самой окраины Вселенной решит сесть на свой звездолет и улететь прочь от всего этого безобразия, что ему помешает это сделать? Стеклянные стенки банки? Тонкий слой резины? Все-таки, что?
                                          0
                                          Ну вот тут выше, последней картинкой, шарик нарисован как образ вселенной.
                                          Нет у него края, сплошной бег по кругу.
                                            0
                                            Сами на половину вопроса ответили. Добавлю только, что это для случая замкнутой Вселенной, и экспоненциальное расширение в чистом виде в ней невозможно, так же, как невозможно расширение газа в замкнутом объеме — в итоге силы отталкивания будут «давить» равномерно со всех сторон, это просто будет означать наличие положительной энергии (напряжения) пространства, компенсирующей (хотя бы частично), отрицательную темную энергию. Может быть, она продолжит расширяться (например, как может расширяться трехмерная поверхность четырехмерной гиперсферы — и может быть, даже по экспоненте, но я не думаю, что наша трехмерная без учета времени ОТО сможет описать этот случай).

                                            Для открытых моделей все тоже очень интересно. Вот у них ест два варианта: 1) Вселенная безгранична и бесконечна; 2) количество вещества конечно и где-то есть край, за которым вещества еще нет. Что конкретно Вы имеете в виду?
                                              0
                                              Наличие в истории Большого Взрыва как бы подразумевает закрытость Вселенной.
                                              Ибо развернуться из точки в бесконечность за конечный срок — никак.

                                              А наличие «тёмной энергии» давящей на вещество — на метрику пространства не влияет никак.
                                                0
                                                Наличие в истории Большого Взрыва как бы подразумевает закрытость Вселенной.Ибо развернуться из точки в бесконечность за конечный срок — никак.
                                                В худшем случае оно подразумевает ее конечность. Открытость или закрытость — это совершенно другой вопрос.
                                                А наличие «тёмной энергии» давящей на вещество — на метрику пространства не влияет никак.
                                                Я Вас умоляю! Посмотрите повнимательнее на ОТО, конкретно на тензор энергии-импульса. Космологическая постоянная из той же оперы. Самое главное: давление — это тоже форма энергии. И оно тоже влияет на метрику.
                            0
                            Может кто ответить на вопрос, у фотона который испытывает красное космологическое смещение, изменяется импульс, работает ли закон сохранение импульса в расширяющейся вселенной на космологических масштабах?
                              0
                              https://geektimes.ru/post/284888/
                              0
                              Получение энергии «из ниоткуда» — страшный сон нефтяных миллиардеров!
                                0
                                а если предположить что гравитация отсутствует, (пространство выталкивает из себя одно меньшее тело к более крупному и плотному) и в областях черных дыр образуеться, из вещества, пространство (красное гравитационное смещение остается из за увеличеной плотности пространства).вот вам и расширение и сохранение энергии.и темная материя не нужна?
                                  0
                                  Он превращает в кинетическую другую форму энергии – гравитационную потенциальную. И в любой момент путешествия общее количество энергии – его кинетическая и потенциальная – остаётся неизменным.

                                  Интересует такой вопрос.


                                  С потенциальной энергией на этой схеме все более-менее понятно.



                                  Какая потенциальная энергия на этой схеме? Не может же быть 2 разных потенциальных энергии у одного тела.


                                    0
                                    Потенциальную энергию измеряют от самого низа гравитационного колодца, скажем так. А не от какой-то высоты над чем-то абстрактным.
                                      0

                                      От центра земли в смысле? Но ведь в формуле потенциальной энергии присутствует h. Какую h использовать для второй картинки? Или например, вот катится шар с холма, вроде сумма энергий константа, а потом мы взорвали в долине большую яму пока он на склоне был, и он в эту яму еще падал пару секунд. Разве в момент появления ямы ему волшебным образом добавилась энергия?

                                    0
                                    Будьте добры, поясните.
                                    1. Допустим, темной энергии нет, и вселенная эволюционирует по одному из 3 первых сценариев. В такой ситуации, первоначальное расширение вселенное аналогично кинетической энергии тела, которое мы подбросили вверх (оставим в стороне вопрос, откуда эта кинетическая энергия взялась). Так вот, если кинетической энергии было мало по сравнению с гравитацией, то тело упадет обратно, или наоборот, сумеет оторваться и улететь. Я повторюсь, скорость расширения вселенной аналогична привычной нам кинетической энергии. Так?

                                    2. Когда мы поднимаем книгу, сила тяготения и направление движения разнонаправлены. Соответственно, мы нашей рукой совершили работу и увеличили гравитационную потенциальную энергию книги, использовав некий запас энергии из наших мышц.
                                    Когда вселенная расширяется, она увеличивает потенциальную энергию гравитационного взаимодействия материи. То есть нечто (назовем это ТЭ) совершает работу против гравитации и должно затрачивать энергию. Ну хорошо, чтобы разнести на бесконечное расстояние какие-то два гравирующих объекта, нужно вполне конечное количество энергии, то есть потенциальная энергия гравитации конечна. Но при ускоренном расширении, вселенная наращивает и «кинетическую энергию», из пункта 1.

                                    Причем, в отличие от гравитации, кинетическая энергия системы возрастает неограниченно. Откуда берется эта бесконечная энергия?

                                    Когда мы поднимали книгу или бросали мяч, мы черпали энергию из запасов в мышцах нашей руки. И если нам удалось разогнать мяч до второй космической, то вся кинетическая и потенциальная гравитационная энергия мяча изначально содержалась в нашей руке.
                                    Когда темная энергия разгоняет вселенную до бесконечных скоростей, это означает что вся эта энергия изначально должна существовать в «руке». То есть в существующем в данный момент вакууме (если мы решили, что ТЭ это свойство вакуума). То есть, знакомый нам вакуум прям сейчас содержит в себе бесконечную энергию.

                                    Что не так?
                                      0
                                      Причем, в отличие от гравитации, кинетическая энергия системы возрастает неограниченно. Откуда берется эта бесконечная энергия?

                                      То есть, знакомый нам вакуум прям сейчас содержит в себе бесконечную энергию.

                                      Что не так?


                                      При построении теории расширения Вселенной понятие энергия не используют вовсе. — Автор и пишет: «Строго говоря, в ОТО энергия не определяется, так что чего волноваться по поводу её сохранения?»

                                      Попробуйте и вы убрать из своих рассуждений понятии «энергия» и ввести понятия «отрицательная работа» и «отрицательное давление».

                                      Удачи.

                                    Only users with full accounts can post comments. Log in, please.