Спросите Итана №59: что такое тёмная энергия?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-58-what-is-dark-energy-61db04945b3d#.cbzlywhyq
  • Перевод

Вселенная, конечно, расширяется, и это расширение ускоряется. Но что мы знаем об этом процессе кроме простого названия «тёмная энергия»?


Выбирая между отчаянием и энергией, я выберу последнее
— Джон Китс


Всю неделю вы напрягали мозг в попытках задать глубокий и загадочный вопрос о Вселенной, и мы получили множество великолепных вопросов – жаль, что я могу выбрать лишь один из них. На этой неделе честь достаётся Пиуш Гупте, которая спрашивает:

Мы узнали, что тёмная энергия составляет примерно 70% от энергии Вселенной. У нас есть доказательства её существования благодаря разным наблюдениям. И она действительно влияет на эволюцию Вселенной. Но что есть тёмная энергия? Имеем ли мы хоть какое представление? Есть для неё какие-либо приемлемые модели?

И у нас правда есть пара хороших идей, но давайте для начала сверим наши знания.



Первое, что нужно принять – концепцию пространства-времени, а также самую важную идею общей теории относительности: количество и тип материи и энергии во Вселенной неразрывно связаны с эволюцией пространства-времени по мере движения Вселенной во времени. До Эйнштейна считалось, что пространство и время постоянны и фиксированы. С одной стороны, есть пространство, которое можно представить как статичную трёхмерную сетку, а с другой — время, отдельный фиксированный континуум, через который все точки пространства двигаются одновременно.

В ОТО всё это меняется сразу двумя способами – и оба очень важны.



Во-первых, пространство и время нельзя отделить друг от друга. Все объекты двигаются через пространство-время друг относительно друга. Именно из представления о том, что имеет значение не только ваше положение в пространстве и времени, но и ваша скорость, то есть движение через пространство и время, вытекает название теории относительности. Если мы с вами находимся в одной точке пространства-времени, но вы двигаетесь относительно меня со значительной скоростью, тогда мы по-разному двигаемся не только через пространство, но и через время. Именно отсюда проистекает идея о том, что часы идут с разными скоростями для наблюдателей из разных систем отсчёта, а также парадокс близнецов.

Поэтому, пространство и время не являются абсолютными и независимыми друг от друга. Все объекты двигаются как через пространство, так и через время, и если вы двигаетесь через пространство быстрее, чем кто-то другой, вы двигаетесь через время медленнее, чем он. Поэтому вы, улетев в ракете, двигающейся со скоростью 99% от скорости света на 9,9 световых лет, затем развернувшись и вернувшись со скоростью 99% от скорости света обратно, обнаружите, что все на Земле постарели на 20 лет, а вы – всего на 3 года.



Второе отличие состоит в том, что пространство-время, где вы сейчас живёте – описывающее всю Вселенную – отличается от существовавшего в тот момент, когда вы начали читать это предложение. Вселенная со временем расширяется, и скорость расширения определяется разными типами материи и энергии, присутствующими сейчас во Вселенной. Скорость расширения со временем меняется, поскольку плотность энергии, или количество материи и энергии на единицу объёма, у материи и излучения падает по мере расширения Вселенной.

Но кроме материи и излучения во Вселенной есть и другие вещи; существует множество других игроков, включая:
  • топологические дефекты
  • космические струны
  • границы доменов
  • присущая пространству кривизна
  • присущая пространству энергия
  • переменное поле, у которого могут быть любые свойства


Что в ОТО здорово, так это ясность её предсказаний: нам всего лишь надо измерить расширение Вселенной со временем, и мы узнаем всё про то, какие есть типы материи и энергии, каковы их пропорции, и с какой степенью уверенности можно говорить, что они именно такие, как мы себе их представляем.



Наблюдения наши идут из трёх источников: во-первых, измерения расстояний до удалённых объектов, типа звёзд, галактик и сверхновых. Измеряя видимую яркость объектов, и сравнивая её с их изначальной, известной нам, яркостью, мы можем рассчитать расстояние до них. Кроме того, можно измерить их красное смещение, что даёт нам представление о расширении Вселенной с того момента, как свет был ими испущен. И эта комбинация даёт нам возможность понять, как расширение Вселенной менялось со временем.




Второй метод – измерение различных флуктуаций в микроволновом фоновом излучении. Из-за особенностей взаимодействия материи и энергии в расширяющейся Вселенной, и из-за того, что остаточное излучение Большого взрыва не рассеивалось на ионизированной материи, поскольку Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет, мы можем получить снимок состояния Вселенной, в котором она находилась очень давно. Но весь этот свет путешествовал до нас 13,8 миллиарда лет, и испытывал красное смещение по мере расширения Вселенной, что даёт нам ещё одно измерение всей космической истории расширения.



Наконец, можно изучать структуры Вселенной самых больших масштабов. Из-за великого космического соревнования, продолжающегося всё время с рождения Вселенной – между гравитацией, притягивающей материю и формирующей сжимающиеся структуры, и расширением, которое расталкивает всё на части – мы можем изучать размеры, масштабы, плотности структур, а также их эволюцию на длительных промежутках времени, что и даёт нам третий метод измерения.

Комбинируя все три метода, можно проверить их связность и точность, показав, что все они дают один и тот же результат, совпадающий со всеми данными. И у меня для вас прекрасные новости: всё совпадает!



С такими инструментами мы можем узнать, из чего состоит Вселенная, при этом подсчитав уровень нашей уверенности в этих цифрах. Сейчас считается, что её состав такой:
  • 0,01% — фотоны, или излучение
  • 4,9% — обычная материя на основе протонов, нейтронов, электронов
  • 27% — тёмная материя, включая нейтрино, которых от неё есть примерно 0,1%, а остальной её состав пока неясен
  • 68% — тёмная энергия


Так что же это за «тёмная энергия» такая?



Насколько можно судить из наблюдений за эволюцией этой формы энергии, она неотличима от космологической константы. В ОТО космологическая константа присуща пространству, поэтому при расширении Вселенной и появлении нового пространства между галактиками, плотность тёмной энергии не уменьшается, хотя плотность всех остальных как раз падает! Именно поэтому расширение Вселенной ускоряется не только сейчас – оно продолжает делать это последние 6 миллиардов лет.



В квантовой теории поля космологическая константа эквивалентна нулевой энергии квантового вакуума, то есть наблюдаемый эффект, возможно, связан с квантовыми полями Вселенной и гравитацией, хотя как это выразить в цифрах – мы пока не представляем.



Нужно также признать возможность того, что тёмная энергия не является космологической константой: она могла быть слабее (или сильнее) в прошлом, или может стать слабее (или сильнее) в будущем. Но по мере совершенствования методов наблюдений ограничения этих возможностей стали весьма строги.



Параметризировать изменение тёмной энергии во времени очень легко – до первого порядка – с параметром уравнения состояния w. Если w = -1,0, тогда в нашем распоряжении появляется космологическая константа. Если w = -1/3, мы имеем кривизну пространства; если w = -2/3, тогда границы доменов, и в принципе параметр вообще может странным образом меняться во времени.


Тёмная энергия постоянна, когда wa = 0, w0 = -1, при этом, если значение w0 меньше значения wa, то тёмная энергия со временем усиливается.

Проще всего принять, что её значение постоянно, и сейчас полученные данные дают нам значение w = -1,02 ± 0,08, что, в общем, довольно сильно намекает на то, что это на самом деле космологическая константа, или энергия, присущая пространству, или нулевая энергия квантового вакуума, которая сама по себе больше нуля. Если вдруг выяснится, что w < -1,0, Вселенная закончит жизнь Большим разрывом – этот удивительный вариант мы рассматривали совсем недавно.



Текущей задачей астрономов XXI века (а возможно, и следующих веков) является выяснение, выполняется ли уравнение w = -1,0000 с произвольной точностью и со всё увеличивающимся количеством цифр после запятой. А задачей теоретиков является выяснение вопроса, что же это означает для Вселенной, или как подсчитать это значение, исходя из ОТО или квантовой теории поля. Пока что все данные указывают на космологическую константу – но заранее никогда нельзя знать. Это может оказаться скаляром, тензором, или динамическим полем, с более сложным поведением, чем мы пока видим. Но также оно может оказаться простой энергией, присущей пространству, и при отсутствии опровергающих это предположение наблюдений лучше ставить именно на этот вариант.

Спасибо за шикарный вопрос, Пиуш, и за возможность, появившуюся у всех нас, изучить ещё немножко силу и источник энергии Вселенной, про который известно меньше всего. Предстоит ещё многое узнать, но даже, несмотря на то, что эта тема пока является одной из величайших загадок, известно про неё уже очень много! Присылайте свои вопросы, чтобы получить шанс прочесть ответ на ваш вопрос.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 25
    +4
    Самая непонятная статья из всего цикла… Черт, да тут не объяснен ни один из используемых терминов!
    Параметризировать изменение тёмной энергии во времени очень легко – до первого порядка – с параметром уравнения состояния w. Если w = -1,0, тогда в нашем распоряжении появляется космологическая константа. Если w = -1/3, мы имеем кривизну пространства; если w = -2/3, тогда границы доменов, и в принципе параметр вообще может странным образом меняться во времени.
      –4
      Мне более всего интересен итог трех видов наблюдений и заключение:

      «В ОТО космологическая константа присуща пространству, поэтому при расширении Вселенной и появлении нового пространства между галактиками, плотность тёмной энергии не уменьшается, хотя плотность всех остальных как раз падает!» (заметитим время здесь фактически равно растоянию, ведь относительный период времени наблюдения в масштабах вселенных ничтожен).

      А самое простое обьяснение, что носитель информации — «свет», изменяет свои свойства с прохождением свозь пространство (например, падает частота). А если это так, то эволюционные теории происходения вселенной фактически равняются теологическим заключениям о сотворении Богом (соответственно все свои злоключения человечеству удобно списывать на отвественность творца — «мы грешим, но нам все простят»).

      Темная энергия в таком предположении будет фактически свойством пространства к выравниванию возмущений — то есть фактически комологической постоянной, и не будет никакого расширения вселенной (заключение того, что «плотность тёмной энергии не уменьшается» этому в подтверждение), и размер вселенной будет не ограничен, а ограничено наше восприятие которое основано на световых волнах.

      Думаю когда построят матричные гравитационые телескопы мы сможем определиться более точно.
      А до того это астрофизика ОТО = теология.
        0
        1. А что удерживает вселенную от сжатия тогда? Если она статична в момент времени t0, то через секунду она уже будет сжиматься под действием гравитации.
        2. Мне кажется, есть и иной способ определить относительно движение с более близкими галактиками. И результаты измерения по эффекту Доплера по-видимому сходится с другими. А ваше падение частоты с расстоянием было бы заметно на таких масштабах.
        3. Да и куда будет деваться энергия света то? В никуда? Сомнительно.
        4. Не вижу связи между эволюционными моделями вселенной и сотворением. Сотворение можно приплести вообще к любой модели.
          –1
          1. Таже космическая постоянная (темная энергия).
          2. Почитайте про эффект Доплера и не бузите. Им можно определить спин галактики или растояние между двойными звездами. А падение характеристики света заметно, только его интерпритируют как расширение пространства.
          3. Значит по вашему космический вакум это пустота! Или вы думаете проходя через флуктуации простанства свет будет девственен.
          4. Связь прямая: если вселенная существовала вечно, то её НИКТО не сотворял… Сама Вселенная и есть Абсолют (подразумевается бесконечномерная неограниченая Мультивселенная).
      0
      Хочу уточнить. Правильно ли я понимаю, что имеется ввиду уравнение состояния, записанное в виде E = wP, где E — плотность энергии, а P — давление? А то в статье это вообще никак не упоминается. И что такое wa и w0? Показатели для обычного вещества и тёмной энергии. Совсем не понял.
        0
        поэтому при расширении Вселенной и появлении нового пространства между галактиками, плотность тёмной энергии не уменьшается,
        Я правильно понимаю, что количество тёмной энергии увеличивается со временем в таком случае? Или меняется только соотношение тёмной и обычной, т.е. обычная превращяется в тёмную?
          +2

          Общее ее количество во вселенной растет, плотность остается постоянной (по текущим предположениям и оценкам).
          Не за счет обычной — обычной количество остается относительно постоянным, а плотность соответственно уменьшается из-за расширения вселенной и увеличения ее объема.


          Откуда берется? Проще всего ответить, что неоткуда (или из самой себя) — скорее всего это просто свойство самого пространства, и соответственно чем больше пространства становится то тем больше и общее количество ТЭ.

          +4
          Мне кажется, картинки тут просто набросаны ради картинок. Они ничего не поясняют по тексту и не связаны с ним.
            0
            Особенно картинка с геометрическими фигурами. Такое ощущение, что она приехала из теста на IQ — вычеркните лишнее.
              +2

              Это почти во всей серии "Спросите Итана" так идет. Хотя большая часть картинок/графиков на самом деле напрямую связана с тем текстом, в который они вставлены. Но без подписей и пояснений действительно не всегда понятно к чему они относятся и возникает ощущение, что они накиданы просто так случайным образом для солидности/объема.

                +1
                Они одни и те же в каждой статье.
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  0
                  это затычка для необъяснимых текущей физикой явлений.
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      0
                      Не хочу вас расстраивать, но ОТО — сравнительно простая теория. Для 2-3 курса вполне по силам.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  +3
                  спросите №59, до этого был 57. Где №58?
                    0
                    Это и есть перевод оригинального Ask Ethan #58, и автор уже перевел оригинальные #60 и #61, то есть пропустил оригинальный #59.
                    –1
                    А мне думается такой вариант развития событий: на заре формирования асимметрии, т.е. когда материя превысила антиматерию, т.е. часть материи оказалось больше обычного и она полностью аннигилировала антиматерию, то частицы антиматерии никуда не исчезли, а путем преобразований кварк-крваковых пар преобразовались в тёмную материю и энергию. Если где-то исчезает, то где-то появляется.
                    Просто Итан оперирует космологическими постоянными и данными, а также размерами, и у неискушённого читателя создаётся неверное представление о самой сущности и формы тёиной материи и тёмной энергии, а имено, простой обыватель скажет, ну да, тёмная материя и темная энергия, ну так ОНА где-то там, в районе галактического гало (хало), мне то что до ней. и здесь САМАЯ БОЛЬШАЯ ошибка, и тёмная материя и тёмная энергия расположены вокруг Нас с Вами. Просто уровень развития науки позволяет фиксировать доступными способами только около 5% так называемой реальной (видимой) материи и энергии, в конечном итоге получается, что мы живём в 5% реальности. и Это хорошо, есть куда двигаться научным изысканиям. Считаю что темная материя и энергия — часть небытия, и все будем тама с течением времени.
                      0

                      Темная материя обнаружена через гравитацию — без нее движение галактик не сходилось. Если бы "рядом с нами" была темная материя, массой в 20 раз больше Земли — ее гравитацию мы бы точно заметили.

                        0

                        Тем не менее и темная энергия и темная материя везде вокруг нас. И хотя тут у нас ее на порядки меньше обычной материи это не потому что ее меньше чем "где-то там" далеко. Это просто обычной материи у нас тут очень много.

                          +1
                          Я спорил больше вот с этим:
                          и тёмная материя и тёмная энергия расположены вокруг Нас с Вами. Просто уровень развития науки позволяет фиксировать доступными способами только около 5% так называемой реальной (видимой) материи и энергии, в конечном итоге получается, что мы живём в 5% реальности.
                          –1
                          ну так и гравитационное взаимодействие тёмной материи проявляется на ну ОЧЕНЬ больших расстояних, даже по космическим меркам, поэтому и гравитационного взаимодействия в 20 раз больше массы Земли НЕ наблюдаем. ГравиЛинзирование чётко показывает, что тёмная материя равномерно растекается по всей наблюдаемой галактики. Так что здесь однозначно — «Здесь и сейчас».
                        0
                        В ОТО космологическая константа присуща пространству, поэтому при расширении Вселенной и появлении нового пространства между галактиками, плотность тёмной энергии не уменьшается, хотя плотность всех остальных как раз падает!
                        Тогда получается что ТЭ указывает или на существование дополнительного измерения нашего континуума, неизменяемого при расширении, или ещё более фундаментального слоя реальности… Ещё один намёк природы на новую физику?
                          +1
                          Мне кажется что цикл статей «Объяснения к Спросите Итана» был бы очень популярен.
                          Лично мне мое образование физика не помогает понять бОльшую часть графиков.

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое