У Вселенной критическая плотность! И это в точности темная энергия, которой так не хватало космологам.

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Ответить
Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30713
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

У Вселенной критическая плотность! И это в точности темная энергия, которой так не хватало космологам.

Номер сообщения:#1   morozov » Вт июл 03, 2018 1:00

Вики
Крити́ческая пло́тность Вселе́нной ρс— выделенное значение плотности материи (вещества и энергии) Вселенной, от которого зависят глобальные геометрические свойства вселенной в космологических моделях. В частности, если средняя плотность Вселенной меньше или равна критической, то реализуется бесконечная вселенная.

В частности, если средняя плотность Вселенной меньше или равна критической, то реализуется бесконечная вселенная. Если же плотность больше критической — то пространство Вселенной оказывается конечным:
.....................
Значение критической плотности ρ c {\displaystyle \rho _{c}} {\displaystyle \rho _{c}} зависит от значения постоянной Хаббла:
\rho _{c}={\frac {3H^{2}}{8\pi G}},
где
H — постоянная Хаббла,
G — гравитационная постоянная.

При записи критической плотности (и других космологических параметров) часто используют безразмерную постоянную Хаббла h, определённую как h = H/(100 (км/с)/Мпк). В этих обозначениях[3]

ρс = 1,88·10−26h2 кг/м3 = 1,05·10−5h2 ГэВ/см3,
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30713
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Темная энергия + ускоренное "расширение"!

Номер сообщения:#2   morozov » Вт июл 03, 2018 1:27

Космология однородного пустого пространства
Получена метрика изотропного и однородного пустого пространства. Единственный параметр этой метрики имеет размерность постоянной Хаббла. Тензор Эйнштейна позволяет вычислить тензор энергии-импульса пустого пространства. Плотность пространства оказалась равна критической плотности Вселенной в теории Фридмана. Из этой же метрики находится экспоненциальный закон изменения красного смещения как функция времени, асимптотически близкий к закону Хаббла.

(PDF) Космология однородного пустого пространства. Available from: https://www.researchgate.net/publicatio ... ostranstva [accessed Jul 03 2018].
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30713
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: У Всленной критическая плотность! И это в точности темная энергия, которой так не хватало космологам.

Номер сообщения:#3   morozov » Вт июл 03, 2018 23:36

Метрика однородного пространства
ds^2=exp(2k_0 x_0 )(dx_0^2-dx_1^2-dx_2^2-dx_3^2 ).
Параметр k0 имеет размерность постоянной Хаббла, откуда
ds^2=exp(2H_0 x_0 )(dx_0^2-dx_1^2-dx_2^2-dx_3^2 ).
Метрика (2) имеет строго отрицательную скалярную кривизну R=-6 k_0^2 exp(-2k_0 x_0 ), независимо от положения в пространстве.
Известно, что ковариантная дивергенция тензора Эйнштейна нулевая. Это позволяет ассоциировать его с тензором энергии-импульса. Коэффициент пропорциональности между этими величинами известен из их асимптотического поведения в ньютоновском приближении . Эти соображения позволяют вычислить тензор энергии-импульса. При этом оказывается, что плотность энергии пространства
\rho _{c}={\frac {3H^{2}}{8\pi G}}c^2.

И эта энергия как раз совпадает с полной (темной) энергией нашей вселенной. т.е. теория Фридмана соответствует действительности и вычисленная им критическая плотность оказалась правильной.

Между прочим наблюдатель в этом пространстве наблюдает красное смещение
z=exp(H_0 T)-1≈H_0 T
Соответствующее ускоренному расширению пространства. Всегда и везде, хотя на самом деле никуда ничего не расширяется...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30713
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: У Вселенной критическая плотность! И это в точности темная энергия, которой так не хватало космологам.

Номер сообщения:#4   morozov » Вт июл 10, 2018 19:42

Темная энергия вблизи нас
А.Д. Чернин
ГАИШ МГУ
Темная энергия - удивительный феномен природы - была впервые обнаружена в наблюдениях сверхновых звезд, вспыхивающих очень далеко от нас, на полпути к горизонту мира. Она создает "всемирное антитяготение", которое проявляется в ускоренном расширении Вселенной как целого. По этому глобальному эффекту темная энергия и была открыта двумя международными группами космологов-наблюдателей в 1998-99 годах. В 2000 г. мы показали, что темная энергия способна проявлять себя также и на очень близких расстояниях от Млечного Пути. Теория, предложенная в ГАИШ МГУ, объясняет феномен разбегания галактик в ближней Вселенной, остававшийся загадочным со времен открытия его Хабблом в 1929 г. Как оказалось, динамикой хаббловского потока управляет антитяготение темной энергии, которое заставляет галактики потока удаляться от Млечного Пути и друг от друга с ускорением. Наша теория вместе с современными высокоточными наблюдениями позволила обнаружить темную энергию в ближней Вселенной и дать независимую наблюдательную оценку ее плотности.

1. Введение

Космология наших дней начиналась с Эйнштейна, Фридмана и Хаббла. Их идеи и открытия не ушли в прошлое, они до сих пор остаются предметом острых дискуссий. При этом неожиданно оказывается, что простые и, казалось бы, давно решенные вопросы требуют чуть ли не полного пересмотра и коренного переосмысления. Действительно, что на самом деле предсказал Фридман? И что открыл Хаббл?

Речь идет о расширении Вселенной и как будто всем давно известно, что космологическое расширение было предсказано теоретически Фридманом, а затем обнаружено в наблюдениях Хаббла. Так говорится в стандартных учебниках и в многочисленных научно-популярных книгах и статьях, написанных, в частности, и классиками науки. Не будем перечислять все источники и ограничимся цитатой только из одной книги, тираж которой, как говорят, во много раз превысил суммарый тираж всех других когда-либо изданных книг по космологии. Эта книга - "Краткая история времени", а ее автор Стивен Хокинг - легендарная фигура в космологии последних десятилетий. Вот что он пишет: "... в 1922, за несколько лет до открытия Эдвина Хаббла, Фридман предсказал в точности то, что нашел Хаббл!" Восклицательный знак принадлежит Хокингу и выражает, по-видимому, особый восторг по поводу тех давних событий в истории науки.

Таково общепринятое мнение; но это мнение неверно.

4. Темная энергия

Однако уже в следующем, 2000-м году парадокс Хаббла-Сэндиджа был рязъяснен. Разгадку подсказало новейшее замечательное событие в космологии - открытие темной энергии. Многое в космологии стало благодаря этому открытию на свои места.

В 1998-99 гг. две международные группы астрономов-наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райес, а другой - Сол Перлмуттер, сообщили, что космологическое расширение происходит с ускорением. Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Это темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение.

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима - не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

И тем не менее с темной энергией, как мы увидим, вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы минимальные, о ее свойствах. Простейший (и как кажется, самый правдоподобный) из обсуждающихся сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной (лямбда). Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном в 1917 г., когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое физическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу... отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор - всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения - без нее теория не допускала бы статичности мира.

В 1922 г. Фридман доказал, что уравнения общей теории относительности - даже при наличии в них космологической константы - допускают не только статические модели, но и модели с эволюцией, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Если эйнштейновская константа положительна по величине, то теория Фридмана (в ней эта константа с самого начала предусмотрительно учитывалась) может описывать не только космологическое расширение с замедлением, но и космологическое расширение с ускорением. Основанная на таком подходе глобальная космологическая модель очень хорошо согласуется с наблюдаемым сейчас феноменом ускоряющегося космологического расширения.

Спустя четыре десятилетия, в 1965 г., Э.Б. Глинер, работавший тогда в ленинградском Физтехе, заметил, что по своей роли и месту в общей теории относительности космологическая постоянная соответствует некоторой сплошной среде, которая строго равномерно заполняет все пространство Вселенной и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Связь плотности этой среды с эйнштейновской космологической постоянной такова:

Изображение

Здесь c - скорость света и G гравитационная постоянная. Мы записали здесь "массовую" плотность, то есть массу, приходящуюся на единицу объема. Как известно, масса и энергия связаны между собой знаменитой формулой E=mc^2; чтобы пересчитать плотность массы на плотность энергии, нужно умножить первую на c^2.

Эта среда весьма необычна: ее плотность положительна, а давление отрицательно, причем по абсолютной величине давление равно плотности (эти две физические величины имеют одинаковую размерность):

Изображение

Связь между давлением и плотностью среды называют ее уравнением состояния. Как первым указал Глинер, записанное выше уравнение состояния характерно для физического вакуума. Такое и только такое уравнение состояния удовлетворяет определению вакуума как среды, относительно которой движение и покой неразличимы. Это и только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, - и притом в любой системе отсчета.

Мы будем называть эту особую космическую среду вакуумом Эйнштейна-Глинера и считать, что открытая астрономами темная энергия - это энергия вакуума. (Буква , которой мы снабдили выше плотность и давление, и означает вакуум.) Кроме ясности и простоты, такая интерпретация привлекательна еще и в том - самом важном, в действительности, - отношении, что наблюдения, в которых темная энергия была открыта, полностью с нею согласуются. По данным на сегодняшний день, отношение давления темной энергии к ее плотности энергии составляет . Похоже, что иные, более сложные и, в общем, произвольные варианты интерпретации темной энергии постепенно вытесняются наблюдениями.

Стоит заметить, что отрицательное давление, с которым мы встречаемся в уравнении состояния вакуума, - не вполне обычное явление в физике. При "нормальных условиях" давление в "нормальной" жидкости или газе как правило положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта парохода) и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же равно - по абсолютной величине - его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.

О вакууме в физике говорят давно, с 1920-х годов, когда возникла квантовая механика. Из этой науки вытекало, в частности, что у всех полей и частиц природы имеется состояние минимальной энергии, которое и называется вакуумом. Вакуум - не пустота, и минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равна нулю. Физический вакуум обладает определенной энергией, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления. Однако пока не установлено, действительно ли вакуум Эйнштейна-Глинера тождествен вакууму физических полей. Подробнее о космологической постоянной, о вакууме и его темной энергии можно прочитать, например, в книге А.М. Черепащука и А.Д. Чернина "Вселенная, жизнь, черные дыры", Век-2, 2003). Поэтому не будем здесь входить во все аспекты этой большой темы, а обсудим только то, что требуется для понимания парадокса Хаббла-Сэндиджа и для построения локальной космологии.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»