.
Социальные сети:
Название статьи:

Таинственная Темная Энергия

Раздел статьи: Наука Космос
Автор:
Дата публикации:
Описание статьи: Наша вселенная разваливается, что то заставляет галактики все быстрее и быстрее разлетаться в стороны. Как только физики совершили это страшное открытие, они сразу начали искать объяснение. В ожидании ответа, ученые решили называть неизвестную силу темной энергией. Пока не открыли темную энергию, мы могли полностью полагаться на теорию относительности Эйнштейна. Теперь наша уверенность пошатнулась. Теория Эйнштейна не объясняет темную энергию. Ни одна существующая теория не может ее объяснить. Может быть темной энергии и вовсе не существует, а все что мы полагаем известно о вселенной – ошибочно? Что сделал Эйнштейн? Он изучил всю физику в целом, совместив самые разные области науки, и вывел свои теории. Может быть, его теории пора пересмотреть. Энергия окружает нас, мы получаем энергию от солнца, химических реакций, электричества. Мы используем энергию в наших машинах, батареях, лампах. Мы поняли, как работает энергия, и смогли полностью изменить свою жизнь. Но темная энергия, это совсем другое дело. Мы никак не можем ее использовать. Можем только признать, что понимаем в ней гораздо меньше, чем хотелось бы. Темная энергия вошла в науку внезапно, в самом конце XX века. В 1998 году молодой ученый Сол Перлмуттер задавался серьезными вопросами...
Социальные сети:
Сол Перлмуттер  - американский астрофизик
Сол Перлмуттер - американский астрофизик, лауреат нобелевской премии по физике 2011 года (совместно с Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом) «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых»

Наша вселенная разваливается, что то заставляет галактики все быстрее и быстрее разлетаться в стороны. Как только физики совершили это страшное открытие, они сразу начали искать объяснение. В ожидании ответа, ученые решили называть неизвестную силу темной энергией.

Пока не открыли темную энергию, мы могли полностью полагаться на теорию относительности Эйнштейна. Теперь наша уверенность пошатнулась. Теория Эйнштейна не объясняет темную энергию. Ни одна существующая теория не может ее объяснить.

Может быть темной энергии и вовсе не существует, а все что мы полагаем известно о вселенной – ошибочно?

Что сделал Эйнштейн? Он изучил всю физику в целом, совместив самые разные области науки, и вывел свои теории. Может быть, его теории пора пересмотреть.

Энергия окружает нас, мы получаем энергию от солнца, химических реакций, электричества. Мы используем энергию в наших машинах, батареях, лампах. Мы поняли, как работает энергия, и смогли полностью изменить свою жизнь. Но темная энергия, это совсем другое дело. Мы никак не можем ее использовать. Можем только признать, что понимаем в ней гораздо меньше, чем хотелось бы.

Темная энергия вошла в науку внезапно, в самом конце XX века. В 1998 году молодой ученый Сол Перлмуттер задавался серьезными вопросами:

Я учился в университете и хотел найти ответы на глобальные философские вопросы, или хотя бы немного о них подумать. Я хотел понять, как устроен наш мир на самом глубинном уровне

Преобладают две основные гипотезы. Одни ученые считают, что вселенная расширяется, медленно, но бесконечно. А другие полагают, что во вселенной слишком много массы, расширение замедляется, вселенная сжимается и на конец превратится в нечто одной точки.

Сол Перлмуттер пытался установить скорость расширения вселенной, изучая взрывы сверхновых. Такие сверхновые всегда светятся с одинаковой силой, по этому их называют «стандартной свечей». Если измерить относительную яркость взрыва, то можно вычислить и расстояние. Своими экспериментами Сол Перлмуттер хотел подтвердить свою теорию, что вселенная расширяется с замедлением. Гипотеза была отличной, но рассчитать, где и когда можно будет увидеть взрыв сверхновой очень сложно. Сол и его коллеги использовали новейшие компьютерные программы.

Ученые обнаружили 42 умирающие звезды и начали свои подсчеты. Но результаты очень удивили их. Данные показывали совершенно другую картину.

Сол Перлмуттер:

Мы хотели найти подтверждение тому, что вселенная расширяется с замедлением, но увидели что наоборот, скорость ее расширения растет

Сказать, что эти результаты удивили ученых, значит ничего не сказать. Они были на столько неожиданны, что сначала Солу Перлмуттеру никто не поверил. Люди ожидали от Перлмуттера совсем другие результаты. Такие серьезные заявления требовали серьезных доказательств, несколько сверхновых было явно недостаточно.

С одной стороны эксперимент оказался весьма удачным, это был прорыв в науке, и Сол Перлмуттер получил за это Нобелевскую премию. Но с другой стороны возникли другие вопросы.

Теперь, когда мы знаем, что вселенная расширяется, возникает вопрос, что заставляет ее расширяться. Этого ученые пока не знают, но они уже дали этой неведомой силе название, «Темная энергия». Эта тайна занимает умы физиков по всему миру. Все мечтают найти ответ, что же такое темная энергия. Особенно обидно, что если темная энергия вообще существует, то она вездесуща, она буквально у нас под носом. Но никто пока не понимает что она на самом деле такое. Уже давно в космологии не было такого состояния запутанности.

Пространство-время (пространственно-временной континуум) — физическая модель, дополняющая пространство равноправным  временным измерением и таким образом, создающая теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом
Пространство-время (пространственно-временной континуум) — физическая модель, дополняющая пространство равноправным временным измерением и таким образом, создающая теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом

В 1915 году, казалось что, дело физики как науки уже почти сделано. Все было ясно. Ньютон объяснил, что физические тела движутся благодаря гравитации, все в мире состоит из крохотных неделимых атомов, вот и все. Но потом один немец, который любил помечтать в поездах, придумал совершенно новую концепцию. Эйнштейн называл приходившие в него идеи «мыслимыми экспериментами», они позволили ему разработать общую теорию относительности, которая полностью изменила наше понимание о вселенной.

Эйнштейн заявил, что теория Ньютона была эмпирически полезной, но концептуально ошибочной. Гравитация это непросто присущее телам необъяснимая способность притягивать другие тела, а только следствие того, как масса взаимодействует с пространством времени, пустотой между планетами и звездами, которое мы раньше называли космосом. Космос, заявил Эйнштейн, совсем не пуст, это своего рода четырехмерное пространственно-временная ткань.

Масса планет может растягивать эту ткань, притягивая к себе другие небесные тела, по этому у планет есть луны. Именно это искривление Пространство-время и создает эффект, который мы называем «Гравитация».

Общая теория относительности Эйнштейна очень красива, достаточно надежна, хотя ей уже больше ста лет. На ее основе можно делать предсказания поведения вселенной и небесных тел. Теория относительности, как и теория гравитации Ньютона, имеет предсказательную силу. Фраза искривление Пространство-времени звучит странно, но само искажение можно наблюдать, об этом говорил и сам Эйнштейн.

Я понял, что одно из главных следствий моей теории можно проверить с помощью эксперимента. Траектория луча света, проходящего мимо солнца, исказится примерно на 0,83 секунды

В 1919 году, во время затмения, британский астроном Артур Стэнли Эддингтон, направил свой телескоп на звезду, которую мы обычно не видим за солнцем. Ее лучи оказались изогнуты, из-за искажения пространства массой солнца.

Астроном Артур Эддингтон впервые увидел искажение света гравитацией
Астроном Артур Эддингтон впервые увидел искажение света гравитацией

Таким образом, теория Эйнштейна подтвердилась, парадигма сдвинулась, толпа обезумела, Эйнштейн проснулся знаменитым.

Но одну деталь общей теории относительности не понимал даже сам Эйнштейн. Дело в том, что когда Эйнштейн решил уравнение общей теории относительности, он предсказал, что вселенная расширяется. И это резко отличалось от общепринятой тогда точки зрения. Все думали, что пространство-время нашей вселенной неподвижно. По этому, Эйнштейн добавил в уравнение еще один член, он обозначил его греческой буквой «Лямбда» и назвал его космологической постоянной.

Ученые называют это «затычкой». Нужно немного изменить это значение, и вселенная сразу начнет расширяться в расчете этого уравнения.

В общей теории относительности требует, что бы пространство и время было конечно, но после введения новой постоянной «Лямбды», тесно связанной с общей массой вселенной, появилось множество других возможных вариантов. Это серьезно портит теорию Эйнштейна.

уравнение общей теории относительности с космологической постоянной
уравнение общей теории относительности с космологической постоянной

Если добавить «Лямбду», то уравнение перестанет быть таким простым, а значит, оно будет менее красиво. Вселенная осталась неподвижной, но Эйнштейн всегда считал, что добавлять в уравнение «Лямбду» все же не стоило.

Эйнштейн писал:

Дорогой Эренфест, я нашел в теории гравитации нечто такое, из-за чего я теперь немного рискую оказаться в сумасшедшем доме

Пауль Эренфест - Австрийский и нидерландский физик-теоретик. Член Нидерландской королевской академии наук, член-корреспондент Академии наук СССР (1924), иностранный член Датской академии наук (1933)

Несмотря на «затычку» в уравнении (космологическую константу) Эйнштейна, по прежнему считали умнейшим человеком на земле.

В 1929 году в Америке, жил астроном Эдвин Хаббл. Он работал на крупнейшем телескопе мира в Калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон. Его открытие полностью изменили смысл слова «Вселенная». До Хаббла, мы думали, что наша галактика это и есть вся вселенная. Он же увидел, что наша галактика одна из многих миллионов, и что все эти миллионы галактик удаляются друг от друга. Выяснилось, что вселенная не статична. Это было очень важное открытие. Ученые начали говорить о начале вселенной и ее возрасте. А Эйнштейн смог отказаться от космологической константы в своем уравнении и формула теории относительности снова стала «красивой» как и раньше. Лямбда, которую добавил Эйнштейн, что бы сделать вселенную статичной, оказалась не нужна.

Эйнштейн в обсерватории Маунт-Вилсон. 1931 г.
Эйнштейн в обсерватории Маунт-Вилсон. 1931 г.

Эйнштейн ликовал, в 1931 году он отправился в Маунт-Вилсон, что бы пожать Хабблу руку и поблагодарить его за то, что тот вернул красоту его формуле. Позже Эйнштейн признавался, что лямбда была главной ошибкой в его карьере.

Но, не смотря на ошибку, общая теория относительности выдержала испытание временем. Наверно это самая успешная научная теория в истории. Все что мы знаем о гравитации на всех уровнях, от мельчайших частиц до солнечных систем, галактик, вселенных, может быть описана с помощью одной, единственной теории. Так что теория Эйнштейна самая успешная теория о нашей вселенной, по крайней мере, на данный момент.

Эта теория красива и успешна, но она никак не учитывает эффект Темной энергии. Она хорошо объясняет расширение вселенной увиденное Хабблом, но Сол Перлмуттер показал, что вселенная расширяется с ускорением и с этим теория Эйнштейна уже не справляется. Как будто темная энергия создает недостаточно проблем уже самим фактором своего существования, она еще и опровергает все, что мы знали ранее.

Темная энергия очень необычна, потому что из-за нее объем вселенной увеличивается, а плотность остается неизменной. Темная энергия по мере расширения вселенной, появляется новая темная энергия и плотность остается постоянной. Чем больше становится вселенная, тем больше в ней оказывается темной энергии, она как будто появляется из ничего, а такого быть конечно не может, это противоречит всему, что знает физика.

Есть простой способ примерить теорию относительности к этой волшебной, бесконечной силе. Нужно добавить «Темную энергию» в уравнение Эйнштейна. Через 100 лет после главной ошибки Эйнштейна, космологическая константа вернулась в теорию. Новая лямбда призвана не сохранить вселенную неподвижной, а объяснить расширение с ускорением. Ее значение изменилось, но сама идея осталась прежней.

Все это приводит космологов к двум вариантам, один страшнее другого. Однако, перед тем как отправлять Альберта Эйнштейна на свалку истории и науки, стоит обратиться к области физики, в которой, что то вполне может появится из неоткуда и исчезнуть в никуда. Это удивительный мир Квантовой Механики.

Квантовая механика это наука о поведении очень маленьких объектов. Это теория о том, как вселенная работает на самом базовом уровне, атомы, протоны и электроны. Квантовая механика основана на неопределенности. Эйнштейн ненавидел квантовую механику, с ее вероятностным подходом и исчезновением частиц.

Бог не играет в кости

А. Эйнштейн

Этот знаменитый афоризм, Эйнштейн посвятил Квантовой механике.

Но в это трудное время, Квантовая механика может помочь Теории относительности, хотя Эйнштейну это вряд ли понравилось бы. Квантовая механика говорит нам, что в вакууме частицы могут появляться и исчезать сами собой, у этих частиц есть масса и энергия. Когда они возникают, то отдают частичку своей энергии вакууму и потом исчезают обратно. Этот процесс идет непрерывно, значит в вакууме есть какая то энергия. Как доказал Эйнштейн, масса и энергия это одно и тоже. Таким образом, если в космосе хранится много энергии, возможно именно это и заставляет вселенную расширятся, все быстрее и быстрее.

Вера Рубин – (Vera Rubin) американский астроном, одна из пионеров развития концепции вращения галактик
Вера Рубин – (Vera Rubin) американский астроном, одна из пионеров развития концепции вращения галактик

Кажется, что квантовая механика может теоретически объяснить, откуда появляется космологическая константа, как в вакууме возникает темная энергия и почему вселенная расширяется с ускорением.

Но есть одна проблема. Когда ученые начали рассчитывать энергию в вакууме, очень сильно ошиблись. Если бы ученым сказали бы, что на морском пляже есть только один камушек, то ошиблись бы в миллиард раз. Если бы сказали, что во вселенной есть только одна частица, то ошиблись в десять в восьмидесятой степени раз, но количество энергии в вакууме было рассчитано с ошибкой десять в сто двадцатой степени раз. Это невероятная ошибка. Если предсказания на столько расходятся с наблюдениями, то в нашем понимании физики присутствует какая то серьезная ошибка. В мире остается место для тайн.

Велико искушение просто игнорировать Темную энергию. Можно сказать, что вселенная на самом деле не расширяется, это просто игра света. Дело, в каких то невидимых нам пока измерениях, и на самом деле это не темная энергия, а что то другое. Но темная энергия не только вредит красоте уравнения Эйнштейна, она еще и помогает ответить на фундаментальный вопрос космологии, из чего же сделана наша вселенная.

Вселенная состоит из звезд, планет, бутылок, теннисных ракеток, атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов, протонов и нейтронов. Но главный удар еще только ждал физиков. В скорее выяснилось, что вселенная состоит так же состоит из абсолютно другой разновидности материи.

Пример спиральной галактики
Пример спиральной галактики

В 1975 году, астроном Вера Рубин сделала неожиданное открытие. Согласно закону гравитации, чем дальше вы находитесь от Солнца, тем слабее оно вас притягивает, и тем медленнее вы движетесь. Спиральные галактики устроены так же, как и наша Солнечная система. Только в них не планеты вращаются вокруг солнца, а звезды вокруг черной дыры. Вера Рубин решила построить кривые вращения для галактик. Она направила телескоп на Андромеду – ближайшую к нам галактику.

После обработки данных, Вера Рубин обнаружила, что звезды не замедляются по мере отдаления от центра галактики. Самые дальние звезды вращаются с такой же скоростью, как и самые ближние.

По всем правилам дальние звезды должны были улететь в космос, но почему то не улетали. Такой результат повторился для всех спиральных галактик. Ученые нашли только одно возможное объяснение. Существует какое то вещество, которое мы не видим, но которое удерживает галактики вместе, и сглаживает кривые вращения. Физики назвали это вещество Темной Материей.

Диаграмм состава вселенной
Диаграмм состава вселенной

Темная Материя шокировала ученых. Но в скорее первоначальный шок сменился новым, еще более глубоким. По расчетам Темной материи во вселенной оказалось примерно в 90 раз больше, чем атомов в вселенной.

В 80-е годы были найдены новые способы измерения Темной материи. И ученые поняли, что во вселенной слишком мало материи, что бы объяснить то, что мы наблюдаем. Не хватает примерно 70% массы вселенной. Космологи засели в недоумении. В 1998 году, Сол Перлмуттер сделал свое открытие, вселенная расширяется с ускорением.

Темная энергия, за которую Сол Перлмутте получил Нобелевскую премию, это интересная и серьезная тема. А еще с ней связано очень важное число. Со времен Эйнштейна, мы знаем о связи энергии и массы E=MC2. Если добавить в это уравнение темную энергию, то мы обнаружим ту массу, которой нам как раз и не хватает.

Мы узнали состав вселенной: 4% атомы из которых состоит все, в том числе и мы, 26% темной материи и целых 70% темной энергии. Многие пытались найти темную энергию. Многое свидетельствует о ее существовании. Но пака что никому не удалось определить, что это такое.

Никто пока не нашел объяснений. Идея темной энергии полезна для физиков, но очень сбивает их с толку. Некоторые космологи считают, что у темной энергии и темной материи есть много общего, не только в названии.

Орбитальный телескоп Евклид
Евклид — космическая миссия, которая разрабатывается Европейским Космическим Агентством (ЕКА). Цель миссии заключается в более лучшем понимании геометрии темной материи и темной энергии

Новый космический аппарат Евклид, поможет выяснить так ли это на самом деле, и если это так то, что общего между ними. Над Евклидом работают 200 ученых из 14 стран. Они надеются, что фотографии вселенной покажут нам, как она расширялась раньше, и прояснят природу темной энергии. Спутник будет запущен в 2020 году и сразу начнет посылать на землю новые данные. Фотографии с Евклида будут более высокого качества, чем любые другие фотографии с орбиты. Разрешение составит 625 Мегапикселей, такие снимки Евклид будет посылать раз в 10 минут. За один день этот спутник будет передавать информации больше, чем телескоп Хаббл за все свое время работы.

Это огромный шаг вперед, по сравнению с сегодняшними телескопами. Евклид будет делать огромные снимки вселенной, во всех направлениях. Орбитальный телескоп Евклид позволит не только измерить ускорение звезд и галактик во всех направлениях за всю историю, но возможно так же прояснит, как в галактиках увеличивался объем темной материи. Телескопу поможет эффект «гравитационной линзы».

Иногда для научного открытия хватает просто тяжелого труда, а иногда требуется, что бы кто то взглянул на вещи свежим глазом. Мы очень много узнали о животных и растениях, просто наблюдая за ними. Но что бы понять природу жизни в целом, нам так же необходимо наблюдение. Люди смотрят на звезды и придумывают такие идеи как, темная энергия и темная материя.

Оценить статью:
Поделиться статьей:
Похожие статьи:
Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня

Пространственно-временной континуум

Но как именно работает гравитация? Как земля притягивает луну за сотни тысяч километров пустого пространства? Они ведут себя так, как будто соединены невидимой нитью, но все знают, что это не так. И законы Ньютона этого не объясняли. Эйнштейн бился над этой проблемой более десяти лет. И в итоге пришел к сенсационному выводу. Секрет гравитации лежит в самой природе пространственно-временном континууме. Он оказался еще более гибким, чем Эйнштейн считал ранее. Он может растягиваться как настоящая ткань. Это было действительно радикальным прорывом по отношению к тории Ньютона. Эйнштейн понял, как на самом деле работает гравитация. Это деформация пространственно-временного континуума, вызванная объектами внутри него. Другими словами гравитация это есть форма самого пространство времени. Луна держится на орбите, потому что ее тянут к земле какие то невиданные силы, а скорее потому, что она катится по изгибу пространства временем которое создает земля. С этими открытиями Эйнштейна пространство стало не просто реальным, но и стало гибким...

Подробнее
Большой адронный коллайдер, сокращённо БАК

Бозон Хиггса

Хиггс и несколько других ученых боролись с загадкой. Фундаментальные частицы вселенной содержат разную величину массы то, что мы обычно называем весом. Без массы, эти частицы никогда бы не соединились для создания знакомых нам атомов, из которых состоит весь наш окружающий мир. Но что создает массу, и почему разные частицы имеют разную массу? Сколько не пытались, никто не смог ответить на этот вопрос. Хиггс с помощью математики представил пространство иначе, как нечто похожее на океан. Частицы окунались в этот океан и набирали массу по мере движения в нем. Чем сильнее частицы пытаются прорваться через этот океан, тем больше они взаимодействуют с океаном и тем большую массу они набирают. Хиггс был убежден, что совершил великое открытие. Но когда он представил свою идею в журнал «CERN Courier», ее отклонили... Обнаружение темной энергии принесло еще один сюрприз. Идея, что вселенная содержит подобный ингредиент, на самом деле возникла на 80 лет ранее. Альберт Эйнштейн предсказал, что само пространство может вызывать силу, отталкивающую галактики друг от друга. Вскоре после создания теории относительности и теории гравитации, Эйнштейн обнаружил, что согласно математике, вселенная будет...

Подробнее

Комментарии