В статье «Расширение пространства в ньютоновской физике» приводится частный случай знаменитого уравнения Фридмана, описывающего «дыхание» пространства-времени, его расширение:
в котором a(t) – масштабный коэффициент, G – гравитационная постоянная, ρ – плотность вещества Вселенной. Точкой сверху обозначается дифференцирование по времени. Отношение å/a равно параметру Хаббла: å(t)/a(t) = H(t). Данное уравнение было получено в рамках обычной, классической физики. Как было показано в статье, при определенной плотности ρ = ρcr вещества во Вселенной параметр кривизны обращается в ноль, и тогда из формулы критическая плотность равна:
ρcr = 3H2(t) / 8πG
Даже из классической физики следует, что если плотность материи во Вселенной ниже критической, то ее силы гравитации не хватит, чтобы удержать разбегающиеся галактики. Следует, однако, помнить, что в классической физике «разбегание» галактик вызвано реальным движением галактик в пространстве с определенной скоростью, а в теории относительности оно вызвано расширением пространства. Поэтому удаление галактик друг от друга в ОТО – это фиктивное движение.
В астрофизике используется отношение реальной, фактической плотности материи Вселенной к критической:
Ω = ρ / ρcr
Если этот параметр меньше единицы, то это означает, что средняя кинетическая энергия разбегающихся галактик достаточно велика, и суммарное тяготение Вселенной не может остановить этот процесс. Значение Ω>1 означает, что энергия сил тяготения больше кинетической энергии, и процесс расширения будет со временем остановлен, после чего обратится в процесс сжатия. В теории относительности первый случай, Ω<1, соответствует «открытой модели» с отрицательной общей кривизной пространства-времени, второй, когда Ω>1, – «закрытой модели» с положительной кривизной. Значение Ω=1 означает промежуточный случай – псевдоэвклидовой открытой модели с нулевой кривизной.
Значение относительной плотности составляется из плотности пяти различных видов материи, «населяющих» Вселенную:
Ω = Ωb + Ωγ + Ων + ΩCDM + ΩΛ
где Ωb, Ωγ, Ων, ΩCDM, ΩΛ – соответственно относительные плотности обычной (барионной) материи, фотонной материи, нейтрино, темной материи и темной энергии. Согласно данным спутника «Планк» [2], плотность обычной материи:
Ωm = Ωb + Ωγ + Ων + ΩCDM = 0.3166 ± 0.0084
При этом [1] Ωb ≈ 0,049 и ΩCDM ≈ 0,259, а плотность темной энергии:
ΩΛ = 0.6834 ± 0.0084
Для наглядности в астрофизике принято использование кривизны, определяемой через плотность как ΩK = 1 – Ω. По данным коллаборации «Планк» ее значение:
ΩK = 0.0008 ± 0.004
Это с большой вероятностью означает, что Вселенная псевдоэвклидова – несмотря на локальные искривления от тяготеющих масс ее общая кривизна с достаточно высокой вероятностью равна нулю. Однако, как видно, результат таков, что, вообще говоря, возможны все три варианта Вселенной: закрытой с положительной кривизной, открытой с отрицательной кривизной и открытой псевдоэвклидовой.
Для теоретических расчетов «вселенского масштаба» служит важнейший параметр Вселенной – космологическая постоянная Эйнштейна, которую принято обозначать буквой Λ (лямбда большая). Приведу без всяких объяснений, с чисто иллюстративными целями, уравнение Эйнштейна с космологической постоянной:
Rik – 1/2∙Rgik = 8πG/c4∙Tik + Λgik
Левая часть уравнения, пространственная, содержит параметры метрики пространства, его кривизну, а правая часть, энергетическая, содержит, во-первых, тензор энергии-импульса материи Tik, а во-вторых, введенную Эйнштейном космологическую постоянную Λ. По некоторым современным предположениям, если слагаемое с Tik описывает энергию материи, населяющей Вселенную, то слагаемое с Λ описывает энергию вакуума. Индекс «Λ» для обозначения плотности темной энергии ΩΛ принят в астрофизике, поскольку он соответствует космологической постоянной. Модель Вселенной, основанная на теории относительности, темной материи и темной энергии, соответственно называется «ΛCDM-модель», здесь CDM – cold dark matter, темная материя. По мысли Эйнштейна, космологическая постоянная Λ должна иметь весьма малое значение, поэтому не будет существенно сказываться на гравитационные поля, но приведет к появлению новых типов решений. Так и оказалось. Широко известно, что впоследствии Эйнштейн отказался от этой постоянной, но современная наука была вынуждена ее вернуть.
По результатам миссии «Планк» ее значение удалось реально измерить, в натуральных единицах оно составляет:
Λ = (4.24 ± 0.11) ∙10-66 эВ2
что вполне соответствует предположению Эйнштейна о малости ее величины. Этот результат спутника «Планк» перебрасывают мяч на сторону теоретиков, теперь они должны блеснуть. Сейчас считается, что под «космологической постоянной» в уравнениях Эйнштейна скрывается энергия физического вакуума, однако попытки ее теоретического расчета по энергии квантовых флуктуаций дают ошибку в 120 порядков. Это – большая неудача квантовой теории, ее называют «худшим теоретическим предсказанием в истории физики».
Наверное, очень важным является определение «Планком» красного смещения эпохи реионизации zre, периода, когда атомы водорода в межзвездном веществе были вторично ионизованы ультрафиолетовым излучением появившихся во Вселенной плотных объектов – квазаров и звезд. Предполагалось, что этой эпохе соответствует 15 > zre > 6.4. Согласно [2] нижней границей является значение zre = 7.68 ± 0.79.
Красное смещение реликтового излучения, для изучения которого и был запущен «Планк», оказалось равным zCMB = 1089.95 ±0.27.
Еще одним сюрпризом в результатах миссии «Планк» оказалось значение параметра Хаббла. Со времени открытия закона Хаббла значение этого параметра многократно уточнялось, его значение со временем изменилось примерно на порядок. Его значение на текущий момент времени обозначается H0. В последние годы при построении «лестницы космических расстояний» было получено, казалось бы, надежное значение:
H0 = 74.03 ± 1.42 км∙с–1∙Мпк–1.
Однако, «Планком» при измерении параметров реликтового излучения, было получено другое значение, не согласующееся с текущим ([2],[3],[4]):
H0 = 67.27 ± 0.60 км∙с–1∙Мпк–1.
Объяснение этому факту пока не найдено.
Все перечисленные результаты, успехи, трудности и поражения говорят о том, что физическая и астрофизическая наука в настоящий момент переживает творческий кризис, похожий на тот, который возник в физике в начале XX столетия. Этот кризис вовсе не означает некоего комплекса неудач, тупика в развитии, напротив, он явился результатом ряда достижений теоретической и экспериментальной науки, в результате которых открываются новые, я бы сказал, головокружительные, перспективы. Известна шутка, что чем больше учишься, тем больше не знаешь. Несомненно, по крайней мере для меня, что такие кризисы являются прекрасным стимулом для появления новых, революционных теорий.
Так хочется дожить!
Цитированные источники:
[1] О.В. Верходанов. Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной?
[2] Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters
[4] О. В. Верходанов. Космологические результаты космической миссии “Планк”. Сравнение с данными экспериментов WMAP и BICEP2, УФН, 2016, том 186, №1, стр.3–46
Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере
Это интересно
0
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Ответы на детские вопросы про "Лунную Афёру"
(1)
kauperwud
,
28.02.2022
-
Космический корабль в несколько километров: все, что известно о новом проекте Китая
(2)
андрей1
,
27.02.2022
-
ЗАГАДКИ "ПАРАДОКСА ФЕРМИ" БОЛЬШЕ НЕТ?
(3)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Марсианские реки
(1)
donskarloss@gmail.com
,
27.02.2022
-
Семь спорных причин считать, что на Земле существовали цивилизации до людей
(1)
donskarloss@gmail.com
,
24.02.2022
20240427002633