Skip to content

07.01.2016

МНЕНИЯ И СУЖДЕНИЯ, ГИПОТЕЗЫ И ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, ФАКТЫ И СОБЫТИЯ

Темная энергия

ЛИХАЧЕВА: Добрый вечер. В эфире программа «В первом приближении». Все, что выходит в эфир каждый понедельник, тут же появляется и на нашем сайте, напомню его адрес: finam.fm. На нашей странице можно и почитать, и скачать, и послушать цикл, посвященный генетике, а также нынешний цикл по астрофизике. Там же на нашем сайте можно оставлять ваши комментарии, оставлять любые вопросы. Итак, что уже было в этом цикле? «Большой взрыв», «Эволюция Вселенной», «Внеземная жизнь», «Черная дыра», «Темная материя». Так вот, в продолжение темы темного в нашей Вселенной, только аккуратней, здесь никакой мистики, все научно, предлагаю поговорить об энергии. Итак, тема нашей сегодняшней программы: «Темная энергия».

В ПЕРВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ. Эксперты в студии.

Дмитрий Горбунов: «Она эффективна, ее эффект состоит в том, что она заставляет Вселенную расширяться, как говорят, ускоренно. Вот этот пузырь начинает расширяться, его стенка летит к нам. Поэтому следующие 10 миллиардов лет мы по-прежнему с вами в том же вакууме, а потом, может быть, что-то произойдет».

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, лауреат Премии президента Российской Федерации в области науки и инновации для молодых ученых.

ЛИХАЧЕВА: Ну, давайте для начала попробуем объяснить, что же это такой за термин «темная энергия», откуда он вообще взялся, кто его впервые употребил?

ГОРБУНОВ: Хорошо, давайте попробуем. Исторически первым примером такого понятия как «темная энергия», тогда этого термина не было. Значит, исторически первым примером была так называемая космологическая постоянная, которую ввел Эйнштейн, когда пытался с помощью уравнения общей теории относительности описать Вселенную. Поскольку общая теория относительности базируется на гравитации, значит, он Вселенную, как бы источник гравитации, что сразу кривизна, он рассматривал кривой мир. Кривой – ну, как сказать? Как вот шарик, например, есть у него кривизна такая, мыльная стенка, мыльный пузырь. Только эта поверхность двумерная, а тут такая же кривая, но только трехмерная.

Соответственно, ясно, что есть некая энергия, связанная с кривизной, вот мыльный пузырь, нужно приложить усилия, чтобы его раздуть и так далее. Он написал свои уравнения, которые описывали бы такую Вселенную, он понимал, что мир у нас такой, на больших масштабах он однородный, изотропный, везде смотрим – везде есть галактики, примерно их одинаковое количество, ну, есть, конечно, скопления, но если так как-то по гамбургскому счету крупно посмотреть, то все везде однородно и изотропно везде. И вот такой хотел описать, написал свое уравнение, что получилось. И у него с такой кривизной оказалось, что Вселенная не статична, она изменяться должна – расширяться, схлопываться. Это ему очень не понравилось, потому что как-то он смотрит, что ничего не изменяется, вроде как, а тут что-то такое. И чтобы у него было такое стационарное решение, независящее от времени, он туда добавил в свое уравнение, то, что назвал космологической постоянной. Это просто постоянная величина. И тогда у него стало стационарное уравнение, Вселенная стала статической, никуда не двигалась.

С точки зрения обычной физики, сейчас вот немного про эту космологическую постоянную поговорим. С точки зрения обычной физики, мы с вами знаем, как вот в школе курс физики начинают учить, что нам никогда не важно, где у нас определено то, что называется нулем потенциальной энергии. Важен переход. Переход, который нам позволяет… Лампочки, да, светят – значит, переход там электрона из одного уровня на другой уровень. Вот разница энергии этих уровней дает вам частоту электромагнитного света, который вы регистрируете.

Теперь, если у нас с вами какое-то там, задачки были такие: «Шарик падает с высоты h». Значит, высота h нам дана отчего? Что шарик пролетает расстояние h вертикально. Когда вы решаете такую задачку, вам совершенно не важно, где вы выбрали ноль. Вы можете выбрать, что шарик стартовал с точки, где был ноль, и полетел в минус h, а можете стартовать, что шарик падал с высоты h, а упал в ноль. Где у него была потенциальная энергия, чему она была равна – не важно, важно ее изменение. Вот там она была такая, здесь – такая. Вот эта разница пошла на то, что шарик получил какую-то кинетическую энергию, разогнался или ударился обо что-то, перешло в тепло, что-то нагрелось.

Когда мы с вами обсуждаем электричество, там тоже говорилось: «Примем за ноль потенциал электрического…» там где-то на бесконечности. А могли бы принять за ноль не на бесконечности, а здесь вот, рядом с вами, или на бесконечности минус 3 какой-нибудь. Это совершенно неважно было, потому что всегда важен переход от чего-то куда-то. И вот это выделение, которое вы смотрите, энерговыделение, которое вы смотрите. Нигде в физике, собственно, нормировка этой потенциальной энергии не важна.

ЛИХАЧЕВА: Подождите, а в космологии тоже, в принципе, не важно, где ноль?

ГОРБУНОВ: Вот-вот, сейчас, к этому дойдем. В квантовой теории то же самое – совершенно не важно, где у вас там ноль, а важен переход. Переход, он рождает вам квант. А когда у вас есть гравитация, то в гравитации как-то все гравитирует, в гравитации энергия гравитирует. И поэтому если вы скажете, что у вас есть какой-то потенциал, он везде, раз вы говорите, что определяете ноль потенциальной энергии, вы говорите, что он, значит, везде, во всей Вселенной у вас есть какое-то значение этого потенциала. Это просто константа. С точки зрения никакой физики, это совершенно не важно. А с точки зрения гравитации, вы скажете, да, вот у вас общая теория относительности, тогда вот это понятие потенциала вы немножко обобщаете, делаете его релятивистским.

ЛИХАЧЕВА: Расшифруйте на всякий случай. Релятивистским – это значит?..

ГОРБУНОВ: Релятивистским – это значит таким ковариантом относительно преобразований, которые есть в общей теории относительности. Вот когда вы из ньютоновской теории построили общую теорию относительности, вы ввели некий новый набор преобразований. Давайте скажем проще. Вот у нас частица покоилась просто, а теперь она движется, вы пересели в другую систему отсчета, которая движется. Это вот просто переход, там, галилеево преобразование. Теперь, когда вы рассматриваете более высокие скорости, вы знаете, что у вас уже не галилеево преобразование должно быть, а лоренцево преобразование. Вы знаете, что у вас там… Давайте не будем обсуждать нейтрино.

Самые большие скорости у фотона бывают, а все остальные скорости меньше, поэтому у вас есть определенные законы преобразований,

их тоже в школе проходят, как переходить вот с этими лоренцевыми преобразованиями, перемасштабироваться.

Ну, вот здесь некий аналог вот этого. Если вы хотите, чтобы у вас все правильно преобразовывалось, правильно релятивистски инвариантно преобразовывалось, и хотите написать энергию вакуума, потенциал, то на самом деле нужно этому вакууму придать еще кроме энергии давление. Вот тогда у вас будет ковариантно, все будет хорошо, все будет… Можно такое вставить в уравнение Эйнштейна, и все будет правильно с математической точки зрения, все хорошо.

Теперь, если вот на такую систему, в которой есть полная плотность энергии и вот такое вот давление, посмотреть… Ну, у нас есть такие примеры, например, газ. Мы газ характеризуем чем? – мы газ, обычные частицы характеризуем плотностью энергии и давлением, ничего в этом страшного нет. То вот такой газ был бы… Да, у него была бы плотность энергии, нормально, а вот давление у такого газа отрицательно. И вот этот пример, он в обычной такой физике ненормальный. Это непонятное совершенно вещество, в газе такое реализовать нельзя. Но, тем не менее, взгляд на эту космологическую постоянную, он такой, как будто это вещество, у которого есть плотность энергии, но отрицательное давление.

Вот Эйнштейн такое написал, ему это самому не понравилось. Потом пришел Фридман наш, который вместо космологической постоянной сказал, что можно сделать правильное уравнение, вспомнив о том, что кругом, то, что мы наблюдаем, неизвестно, есть ли там какая-то гравитационная структура, а вот вещество-то у нас есть. Он добавил туда материю, получил свои уравнения, это теперь называется уравнениями Фридмана, которые описывают расширяющуюся Вселенную. И многие годы эта замечательная космологическая постоянная, она оказалась ненужной. Более того, если посмотреть по ее величине как бы и начать говорить, что, смотрите, в гравитации плотность энергии действительно гравитирует, то есть она входит в уравнения Эйнштейна, то есть просто так постоянную величину записать туда небезопасно, это небезобидно. Это безобидно во всех остальных физиках, а вот с гравитацией шутки плохи, здесь она оказывается существенной, и она существенной оказывается численно тоже.

Дело в том, что можно говорить о том, что в физике частиц появляются какие-то вот такие плотности энергии, конденсаты, как говорят. Или можно сказать по-другому – в физике частиц есть разные масштабы: масштаб сильных взаимодействий, масштаб слабых взаимодействий, масштаб энергетический. И попытаться такого рода энергетическую величину вместо этой космологической постоянной подставить. Окажется, что это чудовищное число, очень большое. И такая Вселенная точно не наша, точно не наша совершенно, вот нет. И долгие годы поэтому считалось, что, ну, это, наверное, просто ноль, нет такой космологической постоянной, либо какой-то есть принцип, который ее запрещает. Либо еще люди пытались как-то это дело сформулировать и попытаться получить правильную цепочку рассуждений, я бы так сказал, или построить правильную модель, в которой бы из физики частиц, вот появляющиеся конденсаты, которые, опять-таки, для физики частиц ничего обычно не портят, не оказывались в этих уравнениях Эйнштейна, потому что большой очень вклад, как-то запретить их.

Но, на самом деле, особенно не преуспели в этом, и поэтому в 90-е годы, например, не было этой космологической постоянной, ничего такого не было. Ну, а раз постоянная, значит, почему и темная энергия тогда? Это кусок, который от эффекта расширения Вселенной никак не изменяется. Дело в том, что если Вселенная у нас расширяется, то обычное вещество, темная материя, просто обычные барионы галактик и так далее, ну, их число сохраняется, соответственно, плотность их падает. Вклад в полную плотность энергии их падает, потому что все расширяется, их становится меньше. Раз это константа, то она не изменяется, она, как была, так и есть, она никак от времени не зависит. Ну и, соответственно, отсюда, например, мы сразу можем сделать вывод на будущее: если так вот и есть, то в будущем она и будет доминировать в полной плотности энергии. Ну, она константа, ничего не сделаешь.

Расширяй, не расширяй Вселенную, сужай – все, вот она константа и все. Если сужение, будет, конечно, наоборот, будут другие вклады доминировать, но пока расширение, она и будет все определять, наше будущее.

Если это так.

Ну и теперь, значит, в 1996-1997 году, в конце 90-х годов, на самом деле ученые-астрономы – они реализовали идею, которая, она и в учебниках старых была написана – попытаться измерять расстояние до очень далеких объектов, используя определенный тип сверхновых (сверхновые типа 1А), светимость которых мы можем узнать из других наблюдений. Ну, это аналог такого, как лампочка. Вот если мы знаем, что лампочка 40 ватт, то есть мы ее далеко куда-то на какое-то расстояние отправим, можем посмотреть от нее поток излучения, и таким образом понять, на каком расстоянии она находится. Ну, тут мы все знаем, конечно, 1 на R в квадрате, все совпадает R – расстояние между нами. Все хорошо.

В расширяющейся Вселенной этот закон несколько модифицируется, у вас и свет немножко распространяется по-другому, и за это время расстояние между нами тоже изменяется, вся Вселенная расширяется, свет в нем летит. Тем не менее, в общей теории относительности это, конечно, можно явление описать. И, наблюдая за такими сверхновыми понять, какой был закон расширения Вселенной. Ну, вот оказывается, что он был такой, что вам нужно добавить вот эту космологическую постоянную…

ЛИХАЧЕВА: То есть, она возвращается.

ГОРБУНОВ: Да, да. В наш мир, чтобы объяснить результаты вот этих экспериментов. Это было первое указание, экспериментальное указание на существование такой, тогда ее называли космологической постоянной…

ЛИХАЧЕВА: А она заставляет расширяться побыстрее, что ли?

ГОРБУНОВ: Она эффективна, да. Ее эффект состоит в том, что она заставляет Вселенную расширяться, как говорят, ускоренно

ЛИХАЧЕВА: Значит, ускорение.

ГОРБУНОВ: Да, да.

ЛИХАЧЕВА: То есть, все быстрее и быстрее, грубо говоря?

ГОРБУНОВ: Ну, можно сказать, все быстрее и быстрее, просто сама по себе эта величина – она в каждый момент времени не является физической. Потому что это просто разные линейки: вы можете в сантиметрах, можете в футах мерить, можете еще в чем-то. Что важно – важно, что это величина изменяется со временем.

ЛИХАЧЕВА: Коррелирует со временем.

ГОРБУНОВ: Да. И как-то она изменяется со временем ускоренно, то есть все быстрее и быстрее