Варианты будущего
В 90-х годах XX века из исследований группы С. Перлмуттера и группы А. Райса и Б. Шмидта удалённых сверхновых звёзд был сделан вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. В современных космологических теориях это явление обычно объясняют тем, что значительную долю полной массы Вселенной составляет так называемая "тёмная энергия" - неизвестный вид энергии с отрицательным давлением.
Диаграмма показывает изменение темпа расширения Вселенной с момента её рождения около 13.7 млрд. лет назад. Чем более пологой выглядит кривая, тем выше скорость расширения. Наклон кривой заметно меняется где-то 5-7 млрд. лет назад - с этого времени разлёт объектов во Вселенной начал происходить нарастающими темпами.
Тёмная энергия
Имеется несколько вариантов объяснения сущности тёмной энергии:
1. пространство равномерно заполнено энергией, плотность которой неизменна. Другими словами: постулируется ненулевая энергия вакуума;
2. тёмная энергия есть либо "квинтэссенция", либо "фантом" (последний также называют квинтэссенцией с возрастающей со временем плотностью энергии) - динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени;
3. нет никакой тёмной энергии. Устройство Вселенной хорошо описывается общей теорией относительности на небольших по космологическим меркам масштабах, для более же крупных требуется её обобщение.
Вот что говорит об этих вариантах известный космолог академик В. Рубаков (см. статью "Тёмная энергия" Аллы Аршиновой на http://www.computerra.ru/):
1. энергия вакуума
«Свойства энергии вакуума близки тем свойствам тёмной энергии, которые нам известны. Во-первых, в видимом пространстве Вселенной вакуум одинаков, то есть распределён в пространстве равномерно. Его энергия, как и тёмная энергия, не обладает качеством концентрации, то есть не способна сгущаться и распределена везде одинаково. Вторым аргументом в пользу того, что тёмной энергией могла бы быть энергия вакуума, является то, что она неподвластна времени, то есть изменениям, которые происходили на протяжении эволюции Вселенной. Энергию вакуума изучает физика сверхмалых расстояний и времён, и расширение Вселенной никак на неё не влияет. Так же ведёт себя и тёмная энергия. Стоит заметить, что то, что плотность энергии вакуума не зависит от времени и пространственного расположения - неоспоримый факт. И это важный плюс в пользу этого кандидата на звание "тёмной энергии"».
2. новое поле
«Во-первых, его энергетический масштаб должен быть равен 0.001 электронвольт. И в том, что мы вводим новый, удивительно малый масштаб, нет ничего предосудительного. Дело в том, что в природе возможно существование самых разных энергетических масштабов. Во-вторых, новое поле должно быть лёгким, то есть его частицы должны иметь очень маленькую массу. Это объясняется тем, что плотность его энергии не должна меняться слишком быстро вследствие расширения Вселенной. Поскольку, напомню, тёмная энергия не реагирует на процессы, сопровождающие эволюцию Вселенной. И третье, что должно быть свойственно новому полю - оно должно очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Лёгкость поля, его малая масса обеспечивает, при этом, большой радиус действия. - говорит В. Рубаков.
Эти три условия непривлекательны для науки в силу своей "притянутости", но они имеют право на существование. Тем более, эту гипотезу возможно проверить экспериментально: если при более точном измерении темпа расширения Вселенной (сейчас и в далёком прошлом) выяснится, что плотность тёмной энергии со временем всё-таки меняется, это поможет с уверенностью отказаться от гипотезы об энергии вакуума. К тому же, если обнаружится, что тёмная энергия распределена в пространстве неравномерно, это будет доказательством того, что она действительно является энергией нового поля. Трудностью является то, что подтверждение или опровержение этой гипотезы невозможно получить в ходе земных экспериментов, так как это поле слишком слабо взаимодействует с веществом. На роль подобного лёгкого поля подходят "квинтэссенция" и "фантом". "Квинтэссенцией" физики называют такое поле, плотность энергии которого убывает со временем. "Фантомом" принято называть такой тип полей, плотность энергии которых, напротив, со временем растёт».
3. новая гравитация
«Одним из вариантов, - говорит В. Рубаков, - является отказ от ньютоновской постоянной всемирного тяготения как от постоянной величины, для этого нужно принять факт её изменения во времени и пространстве. Наиболее красивые попытки построить подобную теорию, увы, не имели успеха, потому что были опровергнуты экспериментально. При построении альтернативной теории, объясняющей устройство Вселенной, важно учитывать и то, что пространство может иметь не только три измерения, но и больше. Второе, на что стоит обратить внимание, это то, что закон расширения Вселенной может измениться. Новая гравитация, таким образом, действительно является претендентом на роль тёмной энергии. Но не стоит забывать, что все построенные сегодня модели требуют экспериментального подтверждения».
Возможные сценарии будущего Вселенной
Источник: http://www.nasa.gov/missions/deepspace/f_dark-energy.html.
Большой разрыв (англ. Big Rip) - космологическая гипотеза о судьбе Вселенной, предсказывающая развал (разрыв) всей материи за конечное время. Этот сценарий будущего Вселенной был выдвинут Робертом Кодвеллом (Robert Caldwell), сотрудником Дартмурского колледжа в Нью-Хэмпшире.
Большой хлопок (англ. Big Crunch) - другой возможный сценарий. В нём расширение Вселенной со временем сменяется сжатием, и она коллапсирует, схлопываясь в конце концов в сингулярность.
«Есть несколько предположений о будущем Вселенной, - комментирует В. Рубаков. - Если "вакуумная" гипотеза о природе тёмной энергии верна, Вселенная будет расширяться непрерывно, почти все галактики, соседние с нашей, удалятся от нас, и мы окажемся во Вселенной в одиночестве. В том случае, если тёмная энергия - квинтэссенция, расширение прекратится и, возможно, напротив, начнётся сжатие - тогда может произойти "Большой взрыв наоборот" (сжатие Вселенной, увеличение плотности вещества в ней, разогрев. Так выглядел бы Большой взрыв, если бы мы "прокрутили фильм" о нём назад во времени). А если же тёмная энергия - это фантом, то произойдет "большой разрыв", то есть расширение будет продолжаться с ускорением, и Вселенная станет "расщепляться": распадутся скопления галактик, из отдельных галактик вырвутся звёзды, от Солнечной системы отделятся планеты. Вселенная распадётся, таким образом, на протоны и нейтроны. Но, скорее всего, плотность энергии фантома останется ограниченной, и это очень интересный путь развития Вселенной. Рост плотности энергии со временем приводит к непредсказуемому поведению фантомного поля: на определённых участках его плотность может быть очень высокой, на других - очень низкой, а какие-то, возможно, испытают коллапс. В таком случае судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область пространства она попадёт».
Диаграмма показывает изменение темпа расширения Вселенной с момента её рождения около 13.7 млрд. лет назад. Чем более пологой выглядит кривая, тем выше скорость расширения. Наклон кривой заметно меняется где-то 5-7 млрд. лет назад - с этого времени разлёт объектов во Вселенной начал происходить нарастающими темпами.
Тёмная энергия
Имеется несколько вариантов объяснения сущности тёмной энергии:
1. пространство равномерно заполнено энергией, плотность которой неизменна. Другими словами: постулируется ненулевая энергия вакуума;
2. тёмная энергия есть либо "квинтэссенция", либо "фантом" (последний также называют квинтэссенцией с возрастающей со временем плотностью энергии) - динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени;
3. нет никакой тёмной энергии. Устройство Вселенной хорошо описывается общей теорией относительности на небольших по космологическим меркам масштабах, для более же крупных требуется её обобщение.
Вот что говорит об этих вариантах известный космолог академик В. Рубаков (см. статью "Тёмная энергия" Аллы Аршиновой на http://www.computerra.ru/):
1. энергия вакуума
«Свойства энергии вакуума близки тем свойствам тёмной энергии, которые нам известны. Во-первых, в видимом пространстве Вселенной вакуум одинаков, то есть распределён в пространстве равномерно. Его энергия, как и тёмная энергия, не обладает качеством концентрации, то есть не способна сгущаться и распределена везде одинаково. Вторым аргументом в пользу того, что тёмной энергией могла бы быть энергия вакуума, является то, что она неподвластна времени, то есть изменениям, которые происходили на протяжении эволюции Вселенной. Энергию вакуума изучает физика сверхмалых расстояний и времён, и расширение Вселенной никак на неё не влияет. Так же ведёт себя и тёмная энергия. Стоит заметить, что то, что плотность энергии вакуума не зависит от времени и пространственного расположения - неоспоримый факт. И это важный плюс в пользу этого кандидата на звание "тёмной энергии"».
2. новое поле
«Во-первых, его энергетический масштаб должен быть равен 0.001 электронвольт. И в том, что мы вводим новый, удивительно малый масштаб, нет ничего предосудительного. Дело в том, что в природе возможно существование самых разных энергетических масштабов. Во-вторых, новое поле должно быть лёгким, то есть его частицы должны иметь очень маленькую массу. Это объясняется тем, что плотность его энергии не должна меняться слишком быстро вследствие расширения Вселенной. Поскольку, напомню, тёмная энергия не реагирует на процессы, сопровождающие эволюцию Вселенной. И третье, что должно быть свойственно новому полю - оно должно очень слабо взаимодействовать с обычным веществом. Лёгкость поля, его малая масса обеспечивает, при этом, большой радиус действия. - говорит В. Рубаков.
Эти три условия непривлекательны для науки в силу своей "притянутости", но они имеют право на существование. Тем более, эту гипотезу возможно проверить экспериментально: если при более точном измерении темпа расширения Вселенной (сейчас и в далёком прошлом) выяснится, что плотность тёмной энергии со временем всё-таки меняется, это поможет с уверенностью отказаться от гипотезы об энергии вакуума. К тому же, если обнаружится, что тёмная энергия распределена в пространстве неравномерно, это будет доказательством того, что она действительно является энергией нового поля. Трудностью является то, что подтверждение или опровержение этой гипотезы невозможно получить в ходе земных экспериментов, так как это поле слишком слабо взаимодействует с веществом. На роль подобного лёгкого поля подходят "квинтэссенция" и "фантом". "Квинтэссенцией" физики называют такое поле, плотность энергии которого убывает со временем. "Фантомом" принято называть такой тип полей, плотность энергии которых, напротив, со временем растёт».
3. новая гравитация
«Одним из вариантов, - говорит В. Рубаков, - является отказ от ньютоновской постоянной всемирного тяготения как от постоянной величины, для этого нужно принять факт её изменения во времени и пространстве. Наиболее красивые попытки построить подобную теорию, увы, не имели успеха, потому что были опровергнуты экспериментально. При построении альтернативной теории, объясняющей устройство Вселенной, важно учитывать и то, что пространство может иметь не только три измерения, но и больше. Второе, на что стоит обратить внимание, это то, что закон расширения Вселенной может измениться. Новая гравитация, таким образом, действительно является претендентом на роль тёмной энергии. Но не стоит забывать, что все построенные сегодня модели требуют экспериментального подтверждения».
Возможные сценарии будущего Вселенной
Источник: http://www.nasa.gov/missions/deepspace/f_dark-energy.html.
Большой разрыв (англ. Big Rip) - космологическая гипотеза о судьбе Вселенной, предсказывающая развал (разрыв) всей материи за конечное время. Этот сценарий будущего Вселенной был выдвинут Робертом Кодвеллом (Robert Caldwell), сотрудником Дартмурского колледжа в Нью-Хэмпшире.
Большой хлопок (англ. Big Crunch) - другой возможный сценарий. В нём расширение Вселенной со временем сменяется сжатием, и она коллапсирует, схлопываясь в конце концов в сингулярность.
«Есть несколько предположений о будущем Вселенной, - комментирует В. Рубаков. - Если "вакуумная" гипотеза о природе тёмной энергии верна, Вселенная будет расширяться непрерывно, почти все галактики, соседние с нашей, удалятся от нас, и мы окажемся во Вселенной в одиночестве. В том случае, если тёмная энергия - квинтэссенция, расширение прекратится и, возможно, напротив, начнётся сжатие - тогда может произойти "Большой взрыв наоборот" (сжатие Вселенной, увеличение плотности вещества в ней, разогрев. Так выглядел бы Большой взрыв, если бы мы "прокрутили фильм" о нём назад во времени). А если же тёмная энергия - это фантом, то произойдет "большой разрыв", то есть расширение будет продолжаться с ускорением, и Вселенная станет "расщепляться": распадутся скопления галактик, из отдельных галактик вырвутся звёзды, от Солнечной системы отделятся планеты. Вселенная распадётся, таким образом, на протоны и нейтроны. Но, скорее всего, плотность энергии фантома останется ограниченной, и это очень интересный путь развития Вселенной. Рост плотности энергии со временем приводит к непредсказуемому поведению фантомного поля: на определённых участках его плотность может быть очень высокой, на других - очень низкой, а какие-то, возможно, испытают коллапс. В таком случае судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область пространства она попадёт».