מהי האנרגיה האפלה של היקום. אנרגיה אפלה ביקום

דוקטור למדעים גופניים ומתמטיים I. Roysen

לפני כמה שנים גילו אסטרופיזיקאים עובדה מסקרנת. תוצאות התצפיות בסופרנובות רחוקות הראו כי היקום מתרחב במהירות ניכרת מכפי שהתאוריה המקובלת "רושמת" אותו: הוא, כביכול, "מתפוצץ" בכוח כלשהו, \u200b\u200bשטבעו כמעט אינו ידוע. ההנחה היא שהיא מייצגת רק שרידי שדה מסוים שהיה ברגעים הראשונים של חיי היקום, אולם, די בכך כדי להשפיע על גורלו הנוסף. המאמר נכתב על בסיס עבודתו של א 'לינדר, פרופסור במעבדה הלאומית. לורנס והמרכז הקוסמולוגי של אוניברסיטת פלורידה, פורסם ב- CERN COURIER בספטמבר 2003.

ערפילית המפרשים היא שרידיה של התפוצצות סופרנובה.

תמונות של הסופרנובה הרחוקה ביותר שצולמה על ידי טלסקופ החלל האבל.

ייצוג סכמטי של פתרונות אפשריים של משוואות היחסות הכללית עם אנרגיית ואקום לא אפסית (קבוע קוסמולוגי), בהשוואה לנתוני תצפיות על סופר-נובות, קרינת שרידים ואשכולות גלקסיות.

תוצאות שכבר הושגו (עם מקטעים אנכיים המתאימים לשגיאות ניסיוניות) וצפויות (נקודות אדומות) מתצפיות עתידיות של סופרנובות עם הסטות אדומות גדולות יותר (או z).

המרכיבים העיקריים של מעבדת המסלול SNAP (Supernova / Acceleration Probe).

המבנה המרחבי של קרינת השרידים הממלאת את היקום.

לאחרונה גובשה גרסה חדשה של המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי של היקום, המכונה "קונקורדנציה קוסמית". הוא מתאר מגוון רחב של תופעות בתוך המודל המהימן המהימן של יקום חם, שהחל עם מה שמכונה המפץ הגדול (ראה "מדע וחיים" מס '11, 12, 1996). על פי גרסה זו, כל החומר מורכב משלושה מרכיבים עיקריים: בריוני (בעיקר נוקלאונים והיפרונים), המתואר על ידי המודל המקובל של חלקיקים אלמנטריים; חומר אפל שאינו בריוני, המיוצג ככל הנראה על ידי חלקיקים מסיביים לא ידועים אך עדיין כמעט שאינם מתקשרים זה לזה, או צירים היפותטיים - חלקיקים בהירים מאוד עם אפס סיבוב, שגם הם קשורים בצורה חלשה מאוד לריונים, שגם קיומם אינו סותר את יסודות הקוונטים המודרניים. תֵאוֹרִיָה; ולבסוף - זה בדיוק מה מורכבת הפתעה די בלתי צפויה - אנרגיה אפלה, על טבעה הפיזי שלמעשה איננו יודעים דבר. במקרה זה, בריונים מהווים כ -4% בלבד מהמסה הכוללת (כאן המסה M מובן במובן הרלטיביסטי כ M= ה/ג 2, איפה ה היא האנרגיה הכוללת, ו ג- מהירות האור, ובדרך כלל משתמשים במערכת יחידות שבהן ג \u003d 1). חלק מהבריונים הם גם "כהים", או ליתר דיוק קרים, במובן זה שהם לא מגלים את עצמם ישירות לאורם של כוכבי ליבון. חומר אפל מהווה כ- 20-25% מכלל המסה. נתח האריה - 70-75% מכלל המסה - נופל על אנרגיה אפלה, שעד כה מתגלה רק בכך שהיא משפיעה על קצב התפשטות הגלובלית של היקום. אנרגיית רקע זו מחולקת באופן שווה, לפחות בקנה מידה מרחבי העולה על גודל כל האינומוגניות הידועות (נניח, אשכולות גלקסיה).

המושג אנרגיה אפלה הופיע בשנת 1998 והוא קשור לתצפיות על סופר-נובות, שמדי פעם מהבהבות בשמיים ואז דוהות די מהר. בשל תכונותיהם הייחודיות, משמשים כוכבים אלה כסמנים לקביעת האופן שבו מרחקים קוסמולוגיים משתנים לאורך זמן. אז, בשנת 1998, שתי קבוצות של אסטרופיזיקאים - אחת בארצות הברית והשנייה באוסטרליה - גילו כמעט בו זמנית שהסופרנובות הרחוקות ביותר אינן מבריקות כצפוי, בהתבסס על העובדה שהיקום מלא בחומר שנשאב בהתאם. לחוק ניוטון, כלומר ביחס הפוך לריבוע המרחק. פירוש הדבר שהם ממוקמים רחוק יותר מאיתנו ממה שהיה צריך להיות אילו היקום התרחב בתחום כוחות הכבידה הרגילים. לפיכך, בביטחון של 99%, ניתן לטעון כי חייבת להיות אנרגיה נוספת ביקום, המסוגלת לעמוד בפני משיכת הכבידה של החומר במרחקים קוסמולוגיים. היא מה שהם החלו להבין במילים "אנרגיה אפלה".

מאז הושגו עדויות רבות לטובת הצהרה זו - הן במהלך תצפיות נוספות ואמינות יותר על סופרנובות והן כתוצאה ממספר מחקרים אחרים. אלה היו קודם כל מדידות מפורטות של ספקטרום האנרגיה של קרינת השרידים במעבדות קרקעיות ומלווינים (ראה "מדע וחיים" מס '1, 1993). אותם ניסויים הראו שהיקום הוא שטוח (לפחות כמעט), כלומר הגיאומטריה המרחבית לכאורה שלו היא אוקלידית, התואמת את התחזית למודל האינפלציה (ראה מדע וחיים, מס '8, 2002). יחד עם זאת, תצפיות על צבירי גלקסיות מצביעות על כך שחומר רגיל (בריוני וכהה) יכול לספק רק 20-30% מצפיפות האנרגיה הממוצעת הנדרשת לכך. לפיכך, הכל מתכנס לעובדה כי יש לייחס כשלושה רבעים מצפיפות זו לאנרגיה אפלה, המזרזת את התפשטות היקום.

אודות הטבע של אנרגיה כהה

מאיפה אנרגיה אפלה זו? עדיין אין תשובה מובנת לשאלה זו, אך בדרך כלל הם מנסים למצוא אותה על ידי שילוב משוואות תורת היחסות הכללית (GR) עם משוואות מצב החומר, עליהן נדבר בקצרה מלכתחילה.

משוואות מצב החומר פירושן התלות ההדדית בין צפיפות האנרגיה הכוללת e והלחץ עמ 'הדוגמה הפשוטה ביותר היא משוואת קלפיירון לגז אידיאלי עמ '= 2/3 ke k \u003d \u003d 2/3 k(e - r), איפה k - קבוע בולצמן, e k - צפיפות אנרגיה קינטית וצפיפות מסה מנוחה.

במדיום לא רלטיביסטי (שבו המסה גבוהה בהרבה מהאנרגיה הקינטית של החלקיקים), הלחץ זניח בהשוואה לצפיפות האנרגיה הכוללת, ולכן בהקשר זה ניתן להחשיב בדיוק טוב מאוד שהוא פשוט אפס. במדיום רלטיביסטי (כאשר, להיפך, האנרגיה הקינטית גדולה בהרבה ממסת השאר), צפיפות האנרגיה גדולה פי שלושה מהלחץ, ה = 3עמ '... ובוואקום הסכום e + עמ ' \u003d 0, כלומר הם נבדלים רק בסימן (במילים אחרות, e / עמ ' \u003d -1). האחרון נובע ישירות מהעובדה שמעצם משמעותו, הוואקום חייב להיות בלתי-משתנה יחסית, כלומר עליו להיראות זהה בכל מערכות הקואורדינטות, ומשוואת המצב שהוזכרה זה עתה היא היחידה העונה על דרישה זו. במבט ראשון נראה כי בחלל ריק אין "כלום", ולכן פשוט e \u003d p \u003d \u003d 0. אך טיעונים "טבעיים" כאלה תקפים רק במסגרת התיאוריה הקלאסית. זה זמן רב ידוע היטב כי צפיפות האנרגיה של ואקום קוונטי יכולה להיות שונה מאפס ויתרה מכך, באופן משמעותי ביותר (דוגמה לכך היא תנודות נקודת אפס בלתי נמנעות).

עכשיו בואו נפנה למשוואות היחסות הכללית. אצלם הלחץ עצמו "נמשך", כלומר במובן מסוים הוא הופך להיות שווה ערך למסה (אנרגיה), וסימן האינטראקציה הכבידה הכוללת נקבע על ידי סימן הסכום e + 3 עמ '... אם זה חיובי - וזה כמובן המקרה בכל מדיום למעט ואקום - המשיכה המוכרת מתרחשת. אבל בחלל ריק, הכל יכול להיות: יש e vac + עמ ' vac \u003d 0, אז e vac + 3 עמ ' vac \u003d 2 עמ ' vak, והכל תלוי בסימן הלחץ. אם עמ ' vac і 0 (ולכן, e vac Ј 0), ואז מעט משתנה באופן איכותי: הוואקום אינו משפיע בשום צורה שהיא, או שהוא מוסיף ל"סיר המשותף "איזו משיכה נוספת המפוזרת באופן אחיד על היקום. אבל אם עמ ' vac< 0 (и, значит, e вак > 0), ואז הריק יביא מרכיב אנטי-כבידתי ל"סיר המשותף "הזה - דחייה, שאינה מזיקה כלל. העובדה היא שכשהיא מתפשטת באופן שווה על פני כל החלל, עם מרחק הולך וגובר, היא תדכא יותר ויותר את משיכת החומר ה"מקומי "ובמוקדם או במאוחר תנצח בוודאי את התרומה הכוללת על כל הכרך, ובכך תספק דחיפה (ולא משיכה!) משנה מעבר לזה!

למעשה, שיקול זה הוא העומד בבסיס המודל האינפלציוני, הקובע כי אנרגיית הוואקום הענקית (החיובית!) שלטה לחלוטין ביקום המוקדם מאוד, אשר מסיבה זו תפח במהירות, והחומר הופיע מאוחר יותר.

רשמית, ניתן לדמות משטר כזה מתמטית על ידי הכנסת קבוע קוסמולוגי חיובי למשוואות היחסות הכללית. הוואקום של תורת היחסות הכללית עם קבוע קוסמולוגי שאינו אפס נחקר בפירוט במשך תקופה ארוכה והוא מכונה "עולם דה סיטר". תכונותיו מעניינות מאוד ובמובנים רבים פרדוקסליות, אך הדיון בהן יוליך אותנו שולל. מעניין, עם זאת, שמשוואות היחסות הכללית עם קבוע קוסמולוגי חיובי, כולל לא רק כוח המשיכה, אלא גם אנטי-כבידה, יכולות במבט ראשון לשפוך אור, אם לא על המשמעות הפיזיקלית, אז לפחות על פרשנות מתמטית מסוימת של אנרגיה שחורה. אבל כאן אנו מוצאים את עצמנו מול בעיה כמעט בלתי מסיסת.

העובדה היא שערך הקבוע הקוסמולוגי הנדרש להסברת המידות הנצפות של היקום באמצעות המודל האינפלציוני הוא כה גדול, עד שכעת אנרגיה אפלה צריכה לעלות על האנרגיה הקשורה לחומר רגיל בכ -120 סדרי גודל (כלומר 10 120 פעמים יותר!). ועדיין, כאמור, למרות שהוא גדול יותר, עדיין יש אותו סדר גודל זהה.

כמובן שכתוצאה ממעבר פאזה עם סידור מחדש של הוואקום, שכמעט ודאי קרה ביקום המוקדם, הקבוע הקוסמולוגי יכול היה להשתנות (ובוודאי לשנות), אך עדיין לא ברור לחלוטין כיצד ומדוע כזה " כיוונון עדין "התרחש שהוא פחת במדויק ב -120 סדרי גודל, לא נניח פי 10 או 100. נכון, העמדה האנתרופולוגית כביכול אפשרית גם: אם זה היה קורה אחרת, אז עכשיו לא יהיה מי שישאל שאלות כאלה. עם זאת, אם אינך נוקט בעמדת הפטליסטים ואינך מחשיב כי כל מה שקיים נובע מרצון המקרה - בקיצור, אם אינך טומן את ראשך בחול כמו יען - אז עדיין כדאי שתחפש תשובה משמעותית יותר.

והם מחפשים אותו באינטנסיביות. החתירה לראיות ניסיוניות חדשות ותמיד לנוכחות אנרגיה אפלה וניסיונות להבין תיאורטית את תוצאותיהן הפכו היום לתעשייה קוסמולוגית שלמה, כולל מגוון רחב של מחקרים על פני כל ספקטרום הזמן מהראשון ועד היקום המודרני.

יש הרבה אינדיקציות לכך שמשוואת המצב של האנרגיה האפלה השתנתה עם הזמן, ולכן כדי לשחזר תמונה שלמה מספיק, יש צורך לצבור מידע הנוגע לכל תקופות האבולוציה של היקום. במילים אחרות, יש צורך "לסרוק" את משוואת המצב לערכים המקבילים של ההיסטה האדומה, שנוצרת כתוצאה מאפקט הדופלר. הם נקבעים על ידי הפרמטר z є (l 0 - l e) / l e, כאשר l 0 הוא אורך הגל של הקרינה שהתקבלה, l e הוא אורך הגל של הקרינה הנפלטת, הם מתקבלים ישירות מתצפיות. לחלופין, וזהה, יש לבדוק את המשוואה עבור כל ערכי הכמות (1 + z) - ההבדל היחסי בסולמות המרחבים האופייניים של היקום מ"צעירותו הערפילית ", כשהיה 1 / (1 + z) << 1 и, значит, красное смещение z \u003e\u003e 1, עד עכשיו, כאשר 1 / (1 + z) \u003d 1 (כלומר z \u003d 0). לפיכך, קוסמולוגים יקבלו מידע על האטת התפשטות היקום עקב משיכת החומר ועל האצתו באמצעות אנרגיית ואקום חשוכה בתקופות היסטוריות שונות, כשם שמידע על שינויי האקלים על כדור הארץ נשאב מתצפיות על הרוחב. של הטבעות על חתכי עצים.

כאן, התפקיד המכריע מוקצה לסופרנובות, אשר בהירותן לכאורה מאפשרת לנו לשפוט באופן מדויק למדי את מרחקן מאיתנו ולכן, על רגע פיצוצם, וההיסטה האדומה בספקטרום אינה אלא היחס בין הגדלים של היקום עכשיו ובאותה תקופה. יחדיו, הם יתנו תמונה מלאה על אופי התפתחות היקום.

הכיוון השני של מחקר מבטיח כולל הצטברות נתונים על העלייה בקצב היווצרותם של מבנים בקנה מידה גדול ביקום כמו אשכולות גלקסיות. ולבסוף, הכיוון השלישי הוא זיהוי של תנודות מרחביות קטנות ביותר של אנרגיה אפלה על ידי מדידה מדויקת במיוחד (דיוק) של האניסוטרופיה הדלה לא פחות של ספקטרום ה- CMB.

האפשרויות של שני הכיוונים האחרונים מוגבלות מאוד על ידי אי וודאות טבעית בלתי נמנעת באסטרופיזיקה ובסטטיסטיקה של חלל (בפרט, מהעובדה, למרבה הצער! - רק יקום אחד שעומד לרשותנו; ידוע לכל כי "הפגם המעצבן הזה בטבע". מגביל מאוד את ידינו במחקר מספר נושאים קשורים). כאמור לעיל, הם בכל זאת יכולים להועיל מאוד להשוואה בין תוצאות.

יישום כל התוכנית הגרנדיוזית הזו הוא המשימה הבסיסית ביותר בקוסמולוגיה לשנים הקרובות. מחקר נוסף אמור גם להגביל את השרירותיות בבחירת הפרמטרים של מודלים תיאורטיים שונים ולחזות באופן ברור יותר את גורל היקום שלנו, כולל, אולי, הערכה של הזמן שנותר לפני "פסק הדין בחלל האחרון" (רק במקרה - זה לא יכול להיות פחות ממיליארדי שנים רבות).

מילון מונחים לסעיף

בריונים - חלקיקים אלמנטריים המחזיקים (בניגוד לכל האחרים) את מטען הבריון כביכול. הניסיון מלמד שמטען הבריון של מערכת מבודדת נשמר במדויק או ברמת דיוק גבוהה מאוד, אם כי הסיבה לכך אינה ידועה. הדוגמאות המפורסמות ביותר של בריונים הן פרוטונים ונויטרונים עם מטען בריון של +1, כמו גם את החלקיקים המקבילים - אנטיבריונים, שמטען הבריון שלהם הוא -1.

היפרונים - בריונים "מוזרים", במילים אחרות - בריונים המכילים לפחות קווארק מוזר אחד.

מודל אינפלציוני - תרחיש שבו ההנחה היא שברגעים הראשונים לקיומו היקום היה "ואקום כוזב" - מצב גרורתי ללא חלקיקים אמיתיים, שלא הפך מיד לוואקום פיזי אמיתי רק משום שהיה צורך להתגבר על חלק מחסום פוטנציאלי. הוואקום הזה התרחב במהירות עצומה, ובמנהור דרך המחסום המוזכר (כזכור, שלא כמו מכניקה קלאסית, מכניקת הקוונטים אינה אוסרת על כך - דוגמה לכך היא ביקוע ספונטני של גרעינים ומעברים רבים במוצקים), "נפל" ל ואקום פיזי אמיתי, אנרגיה שהיא נמוכה בהרבה. כתוצאה מכך שוחררה אנרגיה אדירה, החימום החזק ביותר התרחש, וחלקיקים אמיתיים הופיעו ביקום (בהתאם לחוקים הרגילים של התרמודינמיקה). מאז אותה תקופה, התרחבותה (איטית מאין כמוה) וההתקררות ההדרגתית (כמובן "בממוצע") החלה ומתרחשת כעת, כפי שמנבא באופן איכותי המודל המקובל של היקום החם.

אפס להתנדנד - השפעה קוונטית גרידא, כלומר אי אפשר להפחית את האנרגיה של חלקיק או שדה בדיוק לאפס. במקרה של שדות, האנרגיה שלהם פורמלית בדרך כלל אינסופית. מכיוון שלרוב רק הפרש האנרגיה תמיד משחק תפקיד, אנרגיה זו מופחתת בכל החישובים. עם זאת, בתורת היחסות הכללית, אנרגיה מקבלת משמעות מוחלטת.

עולמו של דה סיטר - לכן נהוג לקרוא לפתרונות משוואות היחסות הכללית עם קבוע קוסמולוגי, המתארים את מצב הוואקום. המאפיינים של האחרונים תלויים בסימן הקבוע הזה ומבדילים אותו מאוד מ"הואקום הריק ".

קבוע קוסמולוגי הוא כמות המכונה גם מונח L. הימצאותו של מונח כזה במשוואות היחסות הכללית אינה אסורה בשום דבר, ובהתחלה איינשטיין ראה בכך אפילו צורך, שכן בלעדיו יַצִיבברור כי יקום עם כוח המשיכה בלבד אינו יציב. כאשר נמצא הפיתרון הבלתי נייח של תורת היחסות הכללית (היקום המתרחב של פרידמן), ועוד יותר מכך שהתברר שהוא תואם בדיוק את המציאות, נראה כי הצורך במונח L לתיאור עקבי פנימי של היקום המודרני נעלם. ועכשיו השאלה שוב על הפרק.

הסעה אדומה - אפקט דופלר, המורכב מכך שתדירות האור הנראה (והגלים האלקטרומגנטיים המתקבלים בדרך כלל) תלויה במהירות היחסית של הפולט והמקלט: ככל שהם מתרחקים מהר יותר זה מזה, הוא פחות. ביקום חם, המהירות היחסית של כל הגופים (במרחקים קוסמולוגיים) גדולה יותר, ככל שהם רחוקים זה מזה. כתוצאה, מתברר כי התדר שאנו מקבלים פוחת (בהשוואה לתדר המקור הנייח) באותו גורם כמו סולם היקום בזמן הקרינה היה קטן יותר מאשר כיום. נהוג לכתוב גורם זה בצורה (1 + z), בגלל שאז z -זו ההיסטה האדומה, ההתארכות היחסית של הגל האלקטרומגנטי.

המוני מנוחה (זוהי גם אנרגיית המנוחה במערכת היחידות, בה מהירות האור ג= 1) הוא המסה (אנרגיה) של גוף ללא תנועה; מסה (רלטיביסטית) כוללת (אנרגיה) שווה למסת השאר + אנרגיה קינטית של הגוף.

ישנן שלוש אפשרויות להסבר את מהותה של אנרגיה אפלה:

עד היום (2017), כל נתוני התצפית המהימנים הידועים אינם סותרים את ההשערה הראשונה, ולכן הוא מקובל בקוסמולוגיה כסטנדרט. הבחירה הסופית בין שתי האפשרויות מחייבת מדידות ארוכות ומדויקות מאוד של קצב ההתרחבות של היקום על מנת להבין כיצד קצב זה משתנה לאורך זמן. קצב התפשטות היקום מתואר על ידי משוואת המצב הקוסמולוגית. פתרון משוואת המצב לאנרגיה אפלה הוא אחת הבעיות הדוחקות ביותר בקוסמולוגיה התצפיתית המודרנית.

על פי התצפיות של מצפה הכוכבים החלל שפורסם במרץ 2013, האנרגיה המונית הכוללת של היקום הנצפה היא 95.1% אנרגיה אפלה (68.3%) וחומר אפל (26.8%).

קולגייט יוטיוב

1 / 5
בהתבסס על תצפיות של סופרנובות מסוג Ia שבוצעו בסוף שנות התשעים, הגיעו למסקנה שהתפשטות היקום מואצת עם הזמן. ואז התצפיות הללו נתמכו על ידי מקורות אחרים: מדידות של קרינת שרידים, עדשות כוח משיכה, נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול. כל הנתונים שהתקבלו משתלבים היטב במודל lambda-CDM.
לקבוע הקוסמולוגי לחץ שלילי השווה לצפיפות האנרגיה שלו. הסיבות שבגללן לקבוע הקוסמולוגי יש לחץ שלילי נובעות מהתרמודינמיקה הקלאסית. כמות האנרגיה הכלולה בנפח "תיבת ואקום" V (\\ displaystyle V)שווים ρ V (\\ displaystyle \\ rho V)איפה ρ (\\ displaystyle \\ rho) הוא צפיפות האנרגיה של הקבוע הקוסמולוגי. הגדלת נפח ה"תיבה "( d V (\\ displaystyle dV) חיובי) מוביל לעלייה באנרגיה הפנימית שלה, מה שאומר שהיא עושה עבודה שלילית. מאז העבודה שנעשתה על ידי שינוי עוצמת הקול d V (\\ displaystyle dV)שווים p d V (\\ displaystyle pdV)איפה p (\\ displaystyle p) לחץ אז p (\\ displaystyle p) - שלילי, ולמעשה, p \u003d - ρ (\\ displaystyle p \u003d - \\ rho) (מְקַדֵם c 2 (\\ displaystyle c ^ (2))חיבור מסה ואנרגיה שווה ל- 1).
הבעיה החשובה ביותר שלא נפתרה בפיזיקה המודרנית היא שרוב תיאוריות השדה הקוונטי, המבוססות על אנרגיית הוואקום הקוונטי, מנבאות ערך עצום של הקבוע הקוסמולוגי - סדרי גודל רבים גבוהים מהערך המותר במושגים קוסמולוגיים. הנוסחה המקובלת של תורת השדות הקוונטיים לסיכום תנודות שואף של נקודת אפס (עם ניתוק במספר הגל של מצבי הרטט המקבילים לאורך פלאנק) נותנת צפיפות אנרגיית ואקום ענקית. על ערך זה, אם כן, יש לפצות על ידי פעולה כלשהי שכמעט שווה (אך לא בדיוק שווה) בערכה המוחלט, אך יש לה סימן הפוך. כמה תיאוריות העל-סימטריה (SATHISH) מחייבות את הקבוע הקוסמולוגי לאפס בדיוק, מה שגם לא עוזר לפתור את הבעיה. זוהי המהות של "בעיית הקבוע הקוסמולוגי", הבעיה הקשה ביותר של "כוונון עדין" בפיזיקה המודרנית: לא נמצאה דרך אחת להסיק מהפיזיקה של חלקיקים אלמנטריים את הערך הקטן ביותר של הקבוע הקוסמולוגי. , מוגדר בקוסמולוגיה. ישנם פיסיקאים, כולל סטיבן וויינברג, הרואים במה שמכונה. "העיקרון האנתרופי" הוא ההסבר הטוב ביותר למאזן האנרגיה העדין הנצפה של הוואקום הקוונטי.
למרות הבעיות הללו, הקבוע הקוסמולוגי הוא במובנים רבים הפיתרון הכלכלי ביותר לבעיית יקום מואץ. ערך מספרי יחיד מסביר תצפיות רבות. לכן, המודל הקוסמולוגי הנוכחי המקובל (מודל lambda-CDM) כולל את הקבוע הקוסמולוגי כמרכיב חיוני.

תַמצִית

גישה חלופית הוצעה בשנת 1987 על ידי הפיזיקאי התיאורטי הגרמני כריסטוף ווטרריך. ווטרריך המשיך מתוך הנחה שאנרגיה אפלה היא סוג של עירור דמוי חלקיקים של שדה סקלרי דינמי מסוים הנקרא "תמצית". ההבדל מהקבוע הקוסמולוגי הוא שצפיפות הממצוי יכולה להשתנות במרחב ובזמן. על מנת שהממצוי "יתאסף" ויצור מבנים בקנה מידה גדול כמו חומר רגיל (כוכבים וכו '), עליו להיות קל מאוד, כלומר להיות בעל אורך גל גדול של קומפטון.
עדיין לא נמצאו עדויות לקיומה של הממצות, אך לא ניתן לשלול קיום כזה. השערת התמצית מנבאת תאוצה מעט איטית יותר של היקום, בהשוואה להשערה הקבועה הקוסמולוגית. יש מדענים הסבורים כי הראיות הטובות ביותר לטובת תמצית יהיו הפרות של עקרון השוויון של איינשטיין ושונות קבועים בסיסיים במרחב או בזמן. קיומם של שדות סקלריים חוזה על ידי המודל הסטנדרטי ותורת המיתרים, אך הדבר מעלה בעיה הדומה לקבוע הקוסמולוגי: תורת הרנורמליזציה מנבאת כי שדות סקלריים צריכים לרכוש מסה משמעותית.
בעיית צירוף המקרים הקוסמי מעלה את השאלה מדוע האצת היקום החלה ברגע מסוים בזמן. אם התאוצה ביקום הייתה מתחילה מוקדם יותר מרגע זה, לכוכבים ולגלקסיות פשוט לא היה זמן להיווצר, ולחיים לא היה שום סיכוי להופיע, לפחות בצורה שאנו מכירים. תומכי "העיקרון האנתרופי" רואים בעובדה זו את הטענה הטובה ביותר בעד קונסטרוקציותיהם. עם זאת, מודלים רבים של תמצית מספקים מה שמכונה "התנהגות מעקב" הפותרת בעיה זו. במודלים אלה, לשדה הממצוי יש צפיפות שמתאימה לצפיפות הקרינה (מבלי להגיע אליו) עד לרגע התפתחות המפץ הגדול, כאשר נוסף איזון החומר והקרינה. לאחר רגע זה, החמישות מתחילה להתנהג כמו "האנרגיה האפלה" המבוקשת ולבסוף שולטת ביקום. התפתחות זו קובעת באופן טבעי ערך נמוך לרמת האנרגיה החשוכה.

ביטוי של תכונות לא ידועות של כוח המשיכה

קיימת השערה כי אין כלל אנרגיה אפלה, וההתרחבות המואצת של היקום מוסברת על ידי התכונות הלא ידועות של כוחות הכבידה, המתחילים להתבטא במרחקים בסדר גודל החלק הגלוי של היקום. .

השלכות על גורל היקום

ההערכה היא שההתפשטות המואצת של היקום החלה לפני כ -5 מיליארד שנים. ההנחה היא כי לפני כן ההרחבה האטה עקב פעולת הכבידה של חומר אפל וחומר בריוני. צפיפות החומר הבריוני ביקום המתרחב יורדת מהר יותר מצפיפות האנרגיה הכהה. בסופו של דבר, אנרגיה אפלה מתחילה לשרור. לדוגמא, כאשר נפח היקום מכפיל את עצמו, צפיפות החומר הבריוני פוחתת במחצית, וצפיפות האנרגיה הכהה נותרת כמעט ללא שינוי (או בדיוק ללא שינוי - בגרסה עם קבוע קוסמולוגי).
אם ההתפשטות המואצת של היקום תימשך ללא הגבלת זמן, כתוצאה מכך גלקסיות מחוץ למקבץ הגלקסיות שלנו יעלו במוקדם או במאוחר על אופק האירועים ויהפכו לבלתי נראות לנו, מכיוון שמהירותן יחסית תעלה על מהירות האור. זו לא הפרה של תורת היחסות המיוחדת. למעשה, אי אפשר אפילו לקבוע את "המהירות היחסית" בזמן חלל מעוקל. המהירות היחסית הגיונית וניתן לקבוע אותה רק במרחב זמן שטוח, או בקטע קטן למדי (נוטה לאפס) של זמן-זמן מעוקל. כל צורת תקשורת שמעבר לאופק האירועים הופכת לבלתי אפשרית וכל מגע בין אובייקטים אבד.
תהליכים נצפו מחקר תיאורטי
- מודלים קוסמולוגיים
  - פיצוץ גדול
  - היקום של פרידמן
- ציר הזמן של הקוסמולוגיה
ישנן שתי אפשרויות להסבר את מהותה של אנרגיה אפלה:

עד היום (2012), כל נתוני התצפית המהימנים הידועים אינם סותרים את ההשערה הראשונה, ולכן מקובל בקוסמולוגיה כסטנדרט. הבחירה הסופית בין השניים מחייבת מדידות מדויקות ביותר של קצב התפשטות היקום כדי להבין כיצד קצב זה משתנה לאורך זמן. קצב התפשטות היקום מתואר על ידי משוואת המצב הקוסמולוגית. פתרון משוואת המצב לאנרגיה אפלה הוא אחת הבעיות הדוחקות ביותר בקוסמולוגיה התצפיתית המודרנית.

אנרגיה אפלה חייבת להוות גם חלק ניכר מהמסה הסמויה של היקום.

גילוי אנרגיה אפלה

בהתבסס על תצפיות של סופרנובות מסוג Ia שבוצעו בסוף שנות התשעים, הגיעו למסקנה שהתפשטות היקום מואצת עם הזמן. ואז התצפיות הללו נתמכו על ידי מקורות אחרים: מדידות של קרינת שרידים, עדשות כוח משיכה, נוקלאוזינתזה של המפץ הגדול. כל הנתונים שהתקבלו משתלבים היטב במודל lambda-CDM.

סופרנובות והיקום המאיץ

לקבוע הקוסמולוגי לחץ שלילי השווה לצפיפות האנרגיה שלו. הסיבות שבגללן לקבוע הקוסמולוגי יש לחץ שלילי נובעות מהתרמודינמיקה הקלאסית. כמות האנרגיה הכלולה בנפח "תיבת ואקום" ושווים ρVאיפה ρ הוא צפיפות האנרגיה של הקבוע הקוסמולוגי. הגדלת נפח ה"תיבה "( dV חיובי) מוביל לעלייה באנרגיה הפנימית שלה, מה שאומר שהיא עושה עבודה שלילית. מאז העבודה שנעשתה על ידי שינוי עוצמת הקול dVשווים pdVאיפה עמ ' לחץ אז עמ ' שלילי ובעצם p \u003d −ρ (המקדם c² המחבר בין מסה לאנרגיה שווה ל- 1).

הבעיה החשובה ביותר שלא נפתרה בפיזיקה המודרנית היא שרוב תיאוריות השדה הקוונטי, המבוססות על אנרגיית הוואקום הקוונטי, מנבאות ערך עצום של הקבוע הקוסמולוגי - סדרי גודל רבים גבוהים מהערך המותר על פי מושגים קוסמולוגיים. הנוסחה המקובלת של תורת השדות הקוונטיים לסיכום תנודות שואף של נקודת אפס (עם ניתוק במספר הגל של מצבי הרטט המקבילים לאורך פלאנק) נותנת צפיפות אנרגיית ואקום ענקית. על ערך זה, לפיכך, יש לפצות על ידי פעולה כלשהי שכמעט שווה (אך לא בדיוק שווה) בערכה המוחלט, אך יש לה סימן הפוך. כמה תיאוריות העל-סימטריה (SATHISH) מחייבות את הקבוע הקוסמולוגי לאפס בדיוק, מה שגם לא עוזר לפתור את הבעיה. זוהי המהות של "בעיית הקבוע הקוסמולוגי", הבעיה הקשה ביותר של "כוונון עדין" בפיזיקה המודרנית: לא נמצאה דרך אחת להסיק מהפיזיקה של חלקיקים אלמנטריים את הערך הקטן ביותר של הקבוע הקוסמולוגי. , מוגדר בקוסמולוגיה. ישנם פיסיקאים, כולל סטיבן וויינברג, הרואים במה שמכונה. "העיקרון האנתרופי" הוא ההסבר הטוב ביותר למאזן האנרגיה העדין הנצפה של הוואקום הקוונטי.

למרות הבעיות הללו, הקבוע הקוסמולוגי הוא במובנים רבים הפיתרון הכלכלי ביותר לבעיית יקום מואץ. ערך מספרי יחיד מסביר תצפיות רבות. לכן, המודל הקוסמולוגי הנוכחי המקובל (מודל lambda-CDM) כולל את הקבוע הקוסמולוגי כמרכיב חיוני.

תַמצִית

גישה חלופית הוצעה בשנת 1987 על ידי הפיזיקאי התיאורטי הגרמני כריסטוף ווטרריך. ווטרייך המשיך מתוך הנחה שאנרגיה אפלה היא סוג של עירור דמוי חלקיקים של איזשהו שדה סקלרי דינמי הנקרא ממצות. ההבדל מהקבוע הקוסמולוגי הוא שצפיפות הממצוי יכולה להשתנות במרחב ובזמן. על מנת שהממצוי "יתאסף" ויצור מבנים בקנה מידה גדול כמו חומר רגיל (כוכבים וכו '), עליו להיות קל מאוד, כלומר בעל אורך גל גדול של קומפטון.

עדיין לא נמצאו עדויות לקיומה של הממצות, אך לא ניתן לשלול קיום כזה. השערת התמצית מנבאת תאוצה מעט איטית יותר של היקום, בהשוואה להשערה הקבועה הקוסמולוגית. יש מדענים הסבורים כי הראיות הטובות ביותר לטובת תמצית יהיו הפרות של עקרון השוויון של איינשטיין ושונות קבועים בסיסיים במרחב או בזמן. קיומם של שדות סקלריים חוזה על ידי המודל הסטנדרטי ותורת המיתרים, אך הדבר מעלה בעיה הדומה לקבוע הקוסמולוגי: תורת הרנורמליזציה מנבאת כי שדות סקלריים צריכים לרכוש מסה משמעותית.

בעיית צירוף המקרים הקוסמי מעלה את השאלה מדוע האצת היקום החלה ברגע מסוים בזמן. אם התאוצה ביקום הייתה מתחילה מוקדם יותר מרגע זה, לכוכבים ולגלקסיות פשוט לא היה זמן להיווצר, ולחיים לא היה שום סיכוי להופיע, לפחות בצורה שאנו מכירים. תומכי "העיקרון האנתרופי" רואים בעובדה זו את הטענה הטובה ביותר בעד קונסטרוקציותיהם. עם זאת, מודלים רבים של תמצית מספקים מה שמכונה "התנהגות מעקב" הפותרת בעיה זו. במודלים אלה, לשדה הממצוי יש צפיפות שמתאימה לצפיפות הקרינה (מבלי להגיע אליו) עד לרגע התפתחות המפץ הגדול, כאשר נוסף איזון החומר והקרינה. לאחר רגע זה, החמישות מתחילה להתנהג כמו "האנרגיה האפלה" המבוקשת ולבסוף שולטת ביקום. התפתחות זו קובעת באופן טבעי ערך נמוך לרמת האנרגיה החשוכה.

מצד שני, אנרגיה אפלה יכולה להתפוגג עם הזמן או אפילו לשנות את האפקט הדוחה לזה האטרקטיבי. במקרה זה, כוח המשיכה יגבר ויוביל את היקום ל"דחיסה הגדולה ". תרחישים מסוימים מניחים "מודל מחזורי" של היקום. אף כי השערות אלה טרם אושרו על ידי תצפיות, הן אינן נדחות לחלוטין. מדידות מדויקות של קצב ההאצה צריכות למלא תפקיד מכריע בקביעת גורלו האולטימטיבי של היקום (התפתחות על פי תורת המפץ הגדול).

ההתפשטות המואצת של היקום התגלתה בשנת 1998 על ידי התבוננות בסופרנובות מסוג Ia. על תגלית זו קיבלו שאול פרלמוטר, בריאן פ. שמידט ואדם ריס את פרס שאו באסטרונומיה לשנת 2006 ואת פרס נובל לפיזיקה לשנת 2011.

ראה גם

הערות (עריכה)

קישורים
- אנרגיה אפלה בקרבתנו - עלון פופולרי, A. D. Chernin, GAISH MSU.
- מוֹדָעָה. צ'רנין: ואקום פיזי ואנטי כוח משיכה בחלל
- סרט תיעודי - Dark Matter, Dark Energy (2008)
- מוֹדָעָה. צ'רנין. אנרגיה אפלה ואנטי-כבידה אוניברסלית. // UFN, 178 , 267 (2008).
- V.N Lukash, V. A. Rubakov. אנרגיה אפלה: מיתוסים ומציאות. // UFN, 178 , 301 (2008). (פרשנות למאמרו של א. ד. צ'רנין)
- רוברט ר. קלדוול, מארק קמיונקובסקי, נווין נ. וויינברג, אנרגיה פנטומית ויום הדין הקוסמי (astro-ph: 0302506)
- מארק טרודן, ג'ונתן פאן... עולמות אפלים
קרן ויקימדיה. 2010.

ראה מהי "אנרגיה אפלה" במילונים אחרים:
כל מה שאנחנו רואים סביבנו (כוכבים וגלקסיות) הוא לא יותר מ 4-5% מכלל המסה ביקום!
על פי התיאוריות הקוסמולוגיות המודרניות, היקום שלנו מורכב מ -5% בלבד מחומר בריוני רגיל, מה שמייצר את כל האובייקטים הנצפים; 25% חומר אפל שזוהה על ידי כוח הכבידה; ואנרגיה אפלה, המהווה עד 70% מהסך הכל.
המונחים אנרגיה אפלה וחומר אפל אינם מוצלחים לחלוטין ומייצגים תרגום מילולי, אך לא סמנטי מאנגלית.
במובן הפיזי, פירוש המונחים הללו הוא רק שחומרים אלה אינם מתקשרים עם פוטונים, ויכולים להיקרא חומר ואנרגיה בלתי נראים או שקופים.
מדענים מודרניים רבים משוכנעים שמחקר שמטרתו לחקור אנרגיה אפלה וחומר עשוי לסייע במענה לשאלה העולמית: מה צפוי ליקום שלנו בעתיד?
גושים בגודל של גלקסיה
חומר אפל הוא חומר המורכב ככל הנראה מחלקיקים חדשים שעדיין אינם ידועים בתנאים יבשתיים ובעל תכונות הגלומות בחומר הרגיל ביותר. לדוגמא, הוא מסוגל גם להתאסף לגושים ולהשתתף באינטראקציות כוח משיכה כמו חומרים רגילים. אך גודלם של מה שמכונה גושים יכול לחרוג מגלקסיה שלמה או אפילו מקבץ גלקסיות.
גישות ושיטות לחקר חלקיקי חומר אפל
נכון לעכשיו, מדענים ברחבי העולם מנסים בכל דרך אפשרית לגלות או להשיג באופן מלאכותי חלקיקים של חומר אפל בתנאים יבשתיים, תוך שימוש בציוד סופר-טכנולוגי שתוכנן במיוחד ובשיטות מחקר רבות ושונות, אך עד כה כל העבודות לא הוכתרו הַצלָחָה.
אחת השיטות כוללת ביצוע ניסויים במאיצים בעלי אנרגיה גבוהה, הידועים בכינויו קוליידרים. מדענים, שמאמינים שחלקיקי חומר אפל כבדים פי 100-1000 מפרוטון, מניחים כי יהיה עליהם ליצור אותם בהתנגשות של חלקיקים רגילים המואצים לאנרגיות גבוהות באמצעות מתנגש. המהות של שיטה אחרת היא רישום חלקיקי חומר אפל שנמצאים סביבנו. הקושי העיקרי ברישום החלקיקים הללו הוא שהם מציגים אינטראקציה חלשה מאוד עם חלקיקים רגילים, שבעצם מהותם הם, כאילו, שקופים עבורם. ועם זאת, חלקיקי חומר אפל לעיתים רחוקות מאוד, אך מתנגשים עם גרעינים אטומיים, ויש תקווה מסוימת, במוקדם או במאוחר, לרשום תופעה זו.
ישנן גישות ושיטות אחרות לחקר חלקיקי חומר אפל, ואילו מהן יובילו להצלחה ראשונה, רק הזמן יגיד, אך בכל מקרה, גילוי החלקיקים החדשים הללו יהפוך להישג מדעי מרכזי.
חומר נגד כוח המשיכה
אנרגיה אפלה היא חומר יוצא דופן עוד יותר מאותו חומר אפל. אין לו את היכולת להתאסף לגושים, וכתוצאה מכך הוא מופץ באופן שווה באופן מוחלט בכל היקום כולו. אך המאפיין החריג ביותר שלו כרגע הוא נגד כוח המשיכה.
אופי החומר האפל והחורים השחורים
הודות לשיטות אסטרונומיות מודרניות, ניתן לקבוע את קצב התפשטות היקום בעת הנוכחית ולדמות את תהליך השינוי מוקדם יותר בזמן. כתוצאה מכך התקבל מידע שכרגע, כמו גם בעבר הקרוב, היקום שלנו מתרחב, בעוד שקצב התהליך הזה עולה כל הזמן. זו הסיבה שההשערה בדבר אנטי-כוח המשיכה של האנרגיה הכהה, שכן למשיכת הכבידה הרגילה תהיה השפעה מאטת על תהליך "מיתון הגלקסיות", דבר שמרסן את קצב התפשטות היקום. תופעה זו אינה סותרת את תורת היחסות הכללית, אך יחד עם זאת, אנרגיה אפלה חייבת להיות בעלת לחץ שלילי - תכונה שאף אחד מהחומרים הידועים כיום אינו מחזיק בה.
מועמדים לתפקיד "אנרגיה אפלה"
מסת הגלקסיות באשכול הבל 2744 מהווה פחות מחמישה אחוז ממסה הכולל. הגז הזה חם כל כך שהוא זוהר רק בתחום הרנטגן (אדום בתמונה זו). התפוצה של חומר אפל בלתי נראה (המהווה כ 75 אחוז ממסת האשכול הזה) היא בצבע כחול.
אחד המועמדים כביכול לתפקיד האנרגיה האפלה הוא ואקום, שצפיפות האנרגיה שלו נותרה ללא שינוי במהלך התפשטות היקום ובכך מאשרת את הלחץ השלילי של הוואקום. מועמד משוער נוסף הוא "תמצית" - תחום חלש-על שלא נחקר בעבר, כביכול עובר בכל היקום. ישנם גם מועמדים אפשריים אחרים, אך אף אחד מהם כרגע לא תרם להשגת תשובה מדויקת לשאלה: מהי אנרגיה אפלה? אבל כבר ברור שאנרגיה אפלה היא משהו על טבעי לחלוטין, ונותרה המסתורין העיקרי של הפיזיקה הבסיסית של המאה ה -21.

פיזיקאים אוהבים את מילת המפתח. בקרבם זה זמן מה נהוג היה לתת שמות "לא מדעיים" לגופים שזה עתה התגלו. קחו את הקווארקים המוזרים והמרתקים. אז אנרגיה אפלה אינה מילה נרדפת לכוחות אפלים, אלא מונח שטבע לציון כמה מהתכונות יוצאות הדופן של היקום שלנו.
גילוי האנרגיה האפלה נעשה בשיטות אסטרונומיות והגיע כהפתעה מוחלטת לרוב הפיזיקאים. אנרגיה אפלה היא אולי התעלומה העיקרית של מדע הטבע המודרני. סביר להניח שפתרונה יהפוך לאירוע החשוב ביותר בפיזיקה של המאה העשרים ואחת, בהשוואה בקנה מידה עם התגליות הגדולות ביותר של העבר הקרוב, כמו גילוי תופעת התפשטות היקום. יתכן אפילו שתתפתח התפתחות כה רדיקלית של התיאוריה שהיא תהיה בקנה אחד עם יצירת תורת היחסות הכללית, גילוי העקמומיות של מרחב-זמן וחיבור העקמומיות הזו עם כוחות הכבידה. אנו נמצאים כעת בתחילת הדרך, והשיחה על אנרגיה אפלה היא הזדמנות להתבונן ב"מעבדה "של הפיזיקאים בתקופה בה עבודתם בעיצומה.
ממני, מאמר נפלא, שנכתב בשפה פשוטה ומובנת, אני ממליץ עליו לכל אחד.
1 קצת היסטוריה
1.1 "זה לא יספיק"
העובדה ש"משהו לא בסדר "ביקום שלנו התבררה לקוסמולוגים בתחילת שנות ה -90. כדי להבהיר מה עומד על הפרק, נתחיל בזכרון התרחבות היקום שלנו. כל הגלקסיות מתפזרות זו מזו ונראה למתבונן בכל אחת מהן שנמצא בה מרכז ההתרחבות; ככל שהגלקסיה רחוקה יותר, היא מתרחקת מהר יותר ממרכז ההתרחבות (איור 1). זה התגלה על ידי תצפיות מכדור הארץ בשנות ה -20 של המאה העשרים. קצב ההתרחבות מאופיין כמותית בפרמטר האבל. בתחילת שנות ה -90, ערך פרמטר האבל ביקום המודרני נמדד די טוב: קצב התפשטות היקום כיום הוא כזה שגלקסיות שנמצאות במרחק של כמיליארד שנות אור מכדור הארץ בורחות מאיתנו במהירות של 24,000 ק"מ ל שְׁנִיָה.

תאנה. 1: היקום המתרחב. גלקסיות רחוקות יותר מתרחקות מאיתנו מהר יותר ונראות אדמדמות יותר בגלל אפקט הדופלר. מדידות מרחקים לגלקסיות רחוקות, יחד עם מדידות מהירויותיהן, מאפשרות לקבוע את ערך הפרמטר האבל, המאפיין את קצב התפשטות היקום.
שים לב שהפרמטר של האבל תלוי בזמן; כך שבעבר הרחוק, היקום התרחב הרבה יותר מהיום, ובהתאם לכך פרמטר האבל היה גדול בהרבה.

בתורת הכבידה המודרנית - תורת היחסות הכללית - פרמטר האבל קשור באופן ייחודי לשני מאפיינים אחרים של היקום: ראשית, עם צפיפות האנרגיה הכוללת של כל צורות החומר, ואקום וכו ', ושנית, עם עקמומיות של חלל תלת מימדי . המרחב התלת מימדי שלנו, באופן כללי, לא צריך להיות אוקלידי; הגיאומטריה שלה יכולה, למשל, להיות דומה לגיאומטריה של כדור; זוויות המשולש עשויות שלא להגיע ל -180 מעלות. במקרה זה, "האלסטיות" של החלל מנקודת מבט של התרחבות היקום ממלאת את אותו תפקיד כמו צפיפות האנרגיה. לכן, במסגרת תורת היחסות הכללית, מדידת פרמטר האבל קובעת את ערך סכום צפיפות האנרגיה הכוללת ביקום ואת התרומה הקשורה לאופי הלא-אוקלידי האפשרי של מרחב תלת-ממדי.

בתחילת שנות ה -90 נאמדה בדיוק צפיפות האנרגיה של חומר "נורמלי" ביקום המודרני. היא "נורמלית" במובן שהוא חווה את אותם יחסי גומלין הכבידיים כמו חומר רגיל. לכן, לעניין "רגיל" חוק ניוטון תקף. אולם העניין הסתבך מכיוון שרוב החומר ה"רגיל "אינו בשום אופן חומר המוכר לנו (אטומים ויונים), אלא החומר האפל כביכול. . חומר אפל, ככל הנראה, מורכב מחלקיקים יסודיים חדשים שטרם התגלו בניסויים יבשתיים. שלא כמו חלקיקים ידועים רבים, הם אינם נושאים מטען חשמלי, ולכן אינם פולטים אור; העניין שנעשה בהם הוא אפל באמת. הדמיון לחומר רגיל הוא שכוחות המשיכה הכבידיים גורמים לחומר אפל להתאסף בגושים - גלקסיות ואשכולות גלקסיות (איור 2). היא עצמה מושכת חומר ואור; זה היה מהאפקט הזה של משיכת הכבידה שהוא התגלה. יתר על כן, מדידות של כוחות הכבידה באשכולות גלקסיות אפשרו לקבוע את מסת החומר האפל באשכולות אלה, ובסופו של דבר, ביקום כולו. כך נמצאה צפיפות האנרגיה הכוללת של חומר "רגיל" (הנוסחה המפורסמת $ E \u003d mc ^ 2 $ ).

תאנה. 2: תפוצה המונית באשכול גלקסיות. כתמים שחורים הם גלקסיות. המסה מרוכזת בעיקר בחומר אפל, המופץ באופן שווה יותר על גבי האשכול.

ומה התברר? התברר שחומר "רגיל" אינו מספיק בבירור בכדי להסביר את קצב התפשטות המדוד של היקום. יתר על כן, הוא היה חזק: "המחסור" היה כ -2 / 3 (על פי הערכות מודרניות, כ -72%). היו שני הסברים אפשריים לעובדה זו: או שהחלל התלת מימדי מעוקל והתרומה החסרה לפרמטר האבל קשורה ל"אלסטיות "שלו, או שיש צורה חדשה של אנרגיה ביקום, שלימים נוצרה. נקרא אנרגיה אפלה.

1.2 לאן שלא תלך ...
מנקודת מבט תיאורטית, שתי האפשרויות הללו - הן שטח לא אוקלידי והן אנרגיה אפלה - נראו מאוד בלתי סבירות. אם לא העובדות העקשניות, כך יהיה גם עכשיו.

נתחיל בעיקול החלל התלת ממדי. בתהליך התפשטות היקום החלל מוחלק, עקמומיותו פוחתת. אם העקמומיות שונה מאפס כעת, בעבר היא הייתה גדולה יותר ממה שהיא כיום. עם זאת, צפיפות האנרגיה (המונית) של החומר פוחתת עם התרחבות היקום אפילו מהר יותר . פירוש הדבר שבעבר התרומה היחסית של העקמומיות לפרמטר האבל הייתה קטנה מאוד, והעיקרית, עם מרווח גדול, הייתה תרומת החומר. על מנת שההתרחבות של היקום ב- 2/3 תסופק על ידי העקמומיות כיום, יש צורך "להתאים" את ערך רדיוס העקמומיות של החלל בעבר בדיוק פנטסטי - שנייה אחת אחרי המפץ הגדול עליו להיות אמור היו שווים למיליארד מהגודל דאז של היקום הנצפה, לא יותר ולא פחות! ללא התאמה כזו, העקמומיות כיום תהיה גדולה יותר מסדרי גודל או בסדרי גודל רבים מהנדרש להסבר התצפיות.
גם אם נתעלם מההשערה כי התרומה החסרה לפרמטר האבל המודרני מסופקת בדיוק על ידי העקמומיות של החלל, עדיין בעיית העקמומיות נותרה: בכל מקרה, יש צורך שהעקמומיות תהיה קטנה ביותר בשלבים הראשונים, אחרת זה יהיה נהדר מדי היום. בעיה זו הייתה אחד השיקולים העיקריים שהובילו למושג השלב האינפלציוני של התפתחות היקום. על פי התיאוריה האינפלציונית שהציע א 'סטארובינסקי ובאופן עצמאי על ידי א' גוט ונוצרה הודות ליצירותיהם של א 'לינדה, א' אלברכט ופ 'שטיינהרדט, היקום בשלב המוקדם ביותר של התפתחותו עבר שלב של קיצוניות התרחבות אקספוננציאלית מהירה (אינפלציה, אינפלציה). בסוף שלב זה, היקום התחמם לטמפרטורה גבוהה מאוד, ותקופת המפץ הגדול החם החלה.

למרות שהשלב האינפלציוני נמשך, ככל הנראה, שבריר שנייה קטן, במהלך תקופה זו היקום נמתח עד כדי כך שגודלו נעשה הרבה יותר גדול מגודל החלק שאנו רואים כיום. חשוב לנו שכתוצאה ממתיחת שטח אינפלציוני, רדיוס העקמומיות שלו ירד כמעט לאפס. לפיכך, התיאוריה האינפלציונית מובילה לתחזית כי המרחב של היקום המודרני הוא אוקלידי ברמת הדיוק הגבוהה ביותר. זה, כמובן, נוגד את ההשערה שהיקום מתרחב היום ב -2 / 3 בגלל העקמומיות.

אנרגיה אפלה זהה, רק גרועה יותר. בהמשך נדון בהשערות שונות אודות טבעה של האנרגיה האפלה, אך כאן אנו מגבילים את עצמנו להערה הבאה. לא משנה מהי אנרגיה אפלה, ניתן לאפיין את צפיפותה בפרמטר יחיד במימד האנרגיה. כדי להיות עקבי עם נתוני תצפית, הערך של פרמטר זה - סולם האנרגיה של האנרגיה הכהה - צריך להיות בערך 0.002 וולט אלקטרונים. יחד עם זאת, האינטראקציות היסודיות הידועות - חזקות, חלשות, אלקטרומגנטיות וכבידה - מאופיינות בסולם האנרגיה שלהן. הקטנה שבהן מתייחסת לאינטראקציות חזקות (גרעיניות) והיא כ 200 מיליון וולט אלקטרונים. התוצאה היא חוסר התאמה של 100 מיליארד פעמים! והכי גרוע, הפער הזה, ובכלל הכמות הקטנה ביותר של אנרגיה אפלה, קשה מאוד למצוא הסבר; למשל, לתיאוריה האינפלציונית, המטפלת כל כך בבעיית העקמומיות, אין שום קשר לסוגיה זו.

בשל הקשיים בפרשנות האנרגיה האפלה, ההשקפה לפיה העקמומיות המרחבית עדיין אחראית על קצב התפשטות היקום הנוכחי. רבים (אם כי בשום אופן לא כולם) פיזיקאים לא יכלו להתייחס ברצינות לאפשרות שאנרגיה אפלה קיימת באמת, ורואים בעיקול המרחבי "פחות רעים". השאלה, כרגיל, נפתרה על ידי ניסוי.

1.3 היקום מתרחב עם תאוצה
נקודת המפנה הגיעה בשנים 1998-1999, כאשר שתי קבוצות מארצות הברית, האחת בראשות א 'רייס וב' שמידט, והשנייה על ידי ש '. פרלמוטר, דיווח על תוצאות תצפיות בסופרנובות מסוג 1a רחוקות. מהתצפיות הללו נבע שהיקום שלנו מתרחב עם תאוצה . מאפיין זה תואם למדי את מושג האנרגיה האפלה, בעוד שטבעו הלא-אוקלידי של החלל אינו מוביל להתפשטות מואצת. לפיכך, נעשתה בחירה חד משמעית לטובת אנרגיה אפלה, וההשערה של מרחב תלת מימד שאינו אוקלידי נדחתה (נחזור אליו לזמן מה).

כמה מילים על סופרנובות מסוג 1a. אלה הם פיצוצים תרמו-גרעיניים המסיימים את חייהם של כמה סוגים של כוכבים. תיאור תיאורטי מפורט של פיצוצים אלה עדיין חסר, אך בהתבסס על תצפיות על סופרנובות סמוכות נקבעו חוקים אמפיריים המאפשרים לבסס את בהירותם המוחלטת, כלומר לקבוע את האנרגיה שהם פולטים במהלך הבזק קצר למדי. במילים אחרות, סופרנובות מסוג 1a הן "נרות סטנדרטיים": לדעת את הזוהר המוחלט ולמדוד את הבהירות הנראית (שטף האנרגיה מגיע לכדור הארץ), אתה יכול לקבוע את המרחק לכל אחד מהם - ככל שהמרחק גדול יותר, כך הבהירות לכאורה נמוכה יותר . יחד עם זאת, ניתן לקבוע את המרחק מאיתנו לכל אחת מהסופרנובות (באמצעות אפקט הדופלר). סופרנובות הן עצמים בהירים מאוד וניתן לראותם במרחקים גדולים. במילים אחרות, הסופרנובות הרחוקות שאנו צופים התפוצצו כעת לפני זמן רב, ולכן מהירות בריחתן נקבעה על ידי קצב התפשטות היקום אז. , בעבר הרחוק. לפיכך, תצפיות של סופרנובות מסוג 1 א מאפשרות לקבוע את קצב ההתרחבות בשלבים מוקדמים יחסית של התפתחות היקום (לפני 7 מיליארד שנה ואף מעט קודם לכן) ולהתחקות אחר תלותו של קצב זה בזמן. זה מה שאפשר לקבוע שהיקום מתרחב עם תאוצה.

1.4 חלל - אוקלידי
ההוכחה הסופית לכך שאופיו הלא-אוקלידי של מרחב תלת מימד, אם בכלל, אינו ממלא תפקיד משמעותי בהתפשטות היקום, הושג על ידי מדידת תכונות ה- CMB. קרינת השרידים השוררת ביקום שלנו היום נפלטה בשלב די מוקדם של האבולוציה הקוסמולוגית. העובדה היא שהיקום בעבר היה הרבה יותר צפוף וחם ממה שהוא עכשיו. בתהליך ההתרחבות הוא נעשה נדיר יותר והתקרר; הטמפרטורה המודרנית של קרינת הרקע היא 2.725 מעלות קלווין.

בשלבים הראשונים החומר ביקום החם היה במצב של פלזמה - פרוטונים בפני עצמם, אלקטרונים בפני עצמם. מדיום כזה אטום לקרינה אלקטרומגנטית, הפוטונים כל הזמן מפוזרים, נקלטים, נפלטים על ידי אלקטרונים. כאשר היקום התקרר לכ -3000 מעלות, אלקטרונים ופרוטונים התאגדו די מהר לאטומי מימן, והחומר הפך שקוף לפוטונים (איור 3). עידן המעבר של החומר מהפלזמה למצב הגזי גרוע גם לפליטה האחרונה של פוטונים שרידים (יהיה מדויק יותר לדבר על הפיזור האחרון, אך עבורנו הדקויות הזו איננה משמעותית). בשלב זה, גיל היקום היה 300 אלף שנה (הגיל הנוכחי הוא 13.7 מיליארד שנה). מאז, פוטונים מתפשטים באופן חופשי ברחבי היקום, אורך הגל שלהם גדל עקב מתיחת החלל, וכיום פוטוני התייחסות אלה הם גלי רדיו.

תאנה. 3: בטמפרטורה של כ -3000 מעלות, החומר ביקום עבר מפלזמה למצב גזי והפך שקוף לפוטונים. הזמן מתווה לאורך הציר האופקי. פוטונים מוצגים באופן סכמטי בצהוב.

בעידן הפליטה של \u200b\u200bפוטונים שרידים, היקום לא היה בדיוק הומוגני. האינומוגניות שהיו באותה תקופה היו עוברי המבנים - הכוכבים הראשונים, הגלקסיות, אשכולות הגלקסיות. באותה תקופה, חריגות פלזמה, כרגיל בתקשורת צפופה, היו גלי קול. חשוב שבאותה תקופה ליקום יהיה סולם מרחק אופייני, המתבטא כעת בתכונותיהם של פוטוני השרידים שנפלטו באותה תקופה. גלי קול באורך ארוך ובהתאם לתקופה קצרה עדיין לא הספיקו להתפתח בעידן פליטת הפוטונים השרידיים, וגלים באורך "הנכון" בדיוק הספיקו להגיע לשלב הדחיסה המקסימלי. אורך גל "נכון" זה הוא "הסרגל הסטנדרטי" של תקופת CMB; גודלו מחושב בצורה אמינה בתיאוריה של המפץ הגדול.

ההטרוגניות של היקום של תקופת הפליטה האחרונה של פוטונים שרידים באה לידי ביטוי בכך שלפוטונים הנפלטים במקומות שונים יש טמפרטורות שונות במקצת. במילים אחרות, הטמפרטורה של הפוטונים תלויה בכיוון בתחום השמימי ממנו הם מגיעים אלינו. ההשפעה חלשה: הבדל הטמפרטורה היחסי בכיוונים שונים הוא כ -1 / 100,000. עם זאת, השפעה זו נמדדה באופן מהימן. יתר על כן, בתחילת המאה ה -20 וה -21, הניסויים של BOOMERANG ו- MAXIMA היו הראשונים שמדדו את הזווית בה נראה ה"סרגל הסטנדרטי "שרק דנו בו. ברור שזווית זו תלויה בגיאומטריה של החלל: אם סכום הזוויות של משולש עולה על 180 מעלות, אז גם זווית זו גדולה יותר. כתוצאה, נמצא שהמרחב התלת מימדי שלנו הוא אוקלידי ברמת דיוק טובה. המדידות הבאות אישרו מסקנה זו. מנקודת מבט של התרחבות היקום, התוצאות הקיימות מביאות כי עקמומיות החלל תורמת תרומה זניחה (פחות מ -1%) לפרמטר האבל. קצב התפשטות היקום ב -70% נקבע כיום על ידי אנרגיה אפלה.

2 כבר לא יודעים עליה שום דבר
אילו תכונות של אנרגיה אפלה ידועים כיום? יש מעט נכסים כאלה, רק שלושה. אך מה שידוע עשוי לגרום לתדהמה בצדק.
הראשונה היא העובדה שבניגוד לחומר "רגיל", האנרגיה הכהה אינה נצמרת, אינה מתאספת לחפצים כמו גלקסיות או אשכולותיהן. ככל הידוע לנו כעת, אנרגיה אפלה "מתפשטת" באופן שווה ברחבי היקום. הצהרה זו, כמו כל אחת המבוססת על תצפיות או ניסויים, נכונה בדיוק מסוים. לא ניתן לשלול לחלוטין כי אי שם ביקום צפיפות האנרגיה הכהה מעט גבוהה יותר, ובמקום קצת פחות מהצפיפות הממוצעת, אי שם האנרגיה הכהה מעט צפופה יותר, ואיפשהו קצת יותר נדירה. עם זאת, מתצפיות עולה כי חריגות מסוג זה מההומוגניות, אם בכלל, צריכות להיות קטנות מאוד בעוצמתן.

כבר דיברנו על המאפיין השני: אנרגיה אפלה גורמת להיקום להתרחב עם תאוצה. באופן זה, גם אנרגיה אפלה שונה באופן בולט מחומר רגיל. מבחינת חומר רגיל, הרעיון המקובל כיצד "פועלים" כוחות הכבידה תקף: חלקיקי חומר שנוצרו, למשל, כתוצאה מפיצוץ והתפזרות מהמרכז, מאטים בהדרגה את התפשטותם בגלל משיכה כבידה למרכז. . אלמלא האנרגיה האפלה, כך יהיה הדבר גם ביקום: מהירות המיתון של הגלקסיות תפחת עם הזמן. לאנרגיה אפלה השפעה הפוכה, גלקסיות מתפזרות מהר יותר ויותר.
שני המאפיינים המתוארים מצביעים על כך שאנרגיה אפלה, במובן מסוים, חווה אנטי-כוח משיכה, מבחינתה יש דחיית כבידה במקום משיכה כבידה. בגלל זה התפשטות היקום מאיצה, בגלל זה אנרגיה אפלה מופצת באופן שווה בחלל. אזורים עם צפיפות מוגברת של חומר נורמלי, בגלל משיכה כבידתית, אוספים חומר מהמרחב שמסביב, אזורים אלה עצמם מתכווצים ויוצרים גושים צפופים; כך נוצרו הכוכבים הראשונים ואז גלקסיות ואשכולות גלקסיות. לגבי חומר נגד כוח המשיכה, ההפך הוא הנכון: אזורים עם צפיפות מוגברת (אם בכלל) נמתחים עקב דחיית כבידה, אי-הומוגניות מוחלקים ולא נוצרים גושים.

המאפיין השלישי של אנרגיה אפלה הוא שצפיפותה אינה תלויה בזמן. מפתיע גם: היקום מתרחב, הנפח גדל וצפיפות האנרגיה נשארת קבועה. נראה שיש סתירה לחוק שמירת האנרגיה. במהלך 8 מיליארד השנים האחרונות היקום הכפיל את עצמו. שטח החלל שהיה אז, נניח, בגודל של מטר אחד, כיום בגודל של 2 מטר, נפחו גדל פי 8, האנרגיה בנפח זה גדלה באותה כמות. אי-שימור אנרגיה ניכר. כמובן, זה מתייחס באופן ספציפי לאנרגיה כהה: מספר החלקיקים של החומר הרגיל בנפח המתרחב לא השתנה, גם אנרגיית המנוחה הכוללת שלהם, וצפיפות אנרגיית המנוחה ירדה פי 8.

למעשה, צמיחת האנרגיה במהלך התרחבות היקום אינה סותרת את חוקי הפיזיקה. אנרגיה אפלה מסודרת באופן שהמרחב המתרחב אכן עובד עליו, מה שמוביל לעלייה באנרגיה של חומר זה בנפח המרחב המתרחב. נכון, הרחבת החלל עצמה נובעת מאנרגיה אפלה, כך שהמצב דומה לברון מינכהאוזן המושך את עצמו מביצה בשיערו. אף על פי כן, אין סתירה: בהקשר הקוסמולוגי, אי אפשר להציג את המושג אנרגיה כוללת, הכוללת את האנרגיה של שדה הכבידה עצמו. כך שאין חוק של שימור אנרגיה, האוסר על צמיחה או ירידה של האנרגיה של צורה כלשהי של חומר. [שימו לב בסוגריים כי גם האנרגיה של גז הפוטונים הנותרים בנפח המתרחב אינה נשמרת. מספר הפוטונים בו אינו משתנה עם הזמן, אך אורך הגל עולה עקב מתיחת החלל. הפוטונים הופכים לאדומים, האנרגיה של כל אחד מהם פוחתת, והאנרגיה הכוללת של כל הפוטונים פוחתת.]
ההצהרה בדבר קביעות צפיפות האנרגיה הכהה מבוססת גם על תצפיות אסטרונומיות, ולכן היא גם נכונה בדיוק מסוים. כדי לאפיין דיוק זה, נניח כי במהלך 8 מיליארד השנים האחרונות צפיפות האנרגיה הכהה השתנתה לא יותר מפי 1.4, כך שהאנרגיה בנפח המתרחב גדלה פי 6-11. אנחנו יכולים לומר זאת בביטחון היום.

שים לב שהתכונות השנייה והשלישית של אנרגיה אפלה - היכולת להוביל להתרחבות מואצת של היקום וקביעותה בזמן (או, באופן כללי יותר, תלות מאוד איטית בזמן) - קשורות למעשה בקשר הדוק. קשר זה נובע ממשוואות תורת היחסות הכללית. במסגרת תיאוריה זו, התפשטותו המואצת של היקום מתרחשת דווקא כאשר צפיפות האנרגיה בו או לא משתנה כלל, או משתנה לאט מאוד. לפיכך, אנטי-כבידה של אנרגיה אפלה והקשר המורכב שלה עם חוק שימור האנרגיה
- שני צדדים של אותו מטבע.
זה למעשה ממצה מידע אמין על אנרגיה אפלה. ואז מתחיל אזור ההשערות. לפני שנדבר עליהם, בואו נדון בקצרה בנושא כללי אחד.

3 למה עכשיו?
בעוד שאנרגיה אפלה תורמת הכי הרבה לצפיפות האנרגיה הכוללת ביקום המודרני, זה היה רחוק מהמקרה בעבר. נניח, לפני 8 מיליארד שנים, החומר הרגיל היה צפוף פי 8, וצפיפות האנרגיה הכהה הייתה זהה (או כמעט זהה) כמו עכשיו. מכאן קל להסיק כי אז היחס בין אנרגיית המנוחה של החומר הרגיל לאנרגיה האפלה היה לטובת הראשונים: אנרגיה אפלה הייתה כ -15%, ולא 72% כפי שהיא כיום. בשל העובדה שבאותה תקופה החומר הרגיל מילא את התפקיד הראשי, התפשטות היקום האטה . עוד קודם לכן, השפעת האנרגיה האפלה על ההתרחבות הייתה חלשה מאוד.
למרבה הפלא, תמונה זו נתמכת על ידי נתונים על סופרנובות מסוג 1a. הרחוקים שבהם התפוצצו לפני יותר מ -8 מיליארד שנים, ומדידות של מהירויותיהם מראות כי התפשטות היקום למעשה האטה. תצפיות קוסמולוגיות אחרות מצביעות גם על כך שאנרגיה אפלה לא הייתה משמעותית בשלבים הראשונים של התפתחות היקום. ראוי להזכיר סדרה אחת של תוצאות כאלה. בתקופה שבין שנייה למספר דקות לאחר המפץ הגדול, כאשר הטמפרטורה ביקום נעה בין 10 מיליארד למאות מיליוני מעלות, התגובות התרמו גרעיניות התרחשו באופן פעיל בפלזמה הקוסמית. כתוצאה מכך נוצרו איזוטופים של דאוטריום, הליום וליתיום. במקומות מסוימים ביקום, ההרכב העיקרי הזה של החומר לא השתנה כמעט, ואפשר היה למדוד אותו.

מצד שני, ניתן לחשב אותו באופן מהימן, והתוצאה, כמובן, תלויה בקצב התפשטות היקום באותה תקופה רחוקה. לכן, תוצאות החישוב תואמות את התצפיות, אם נניח שאנרגיה אפלה לא מילאה תפקיד כלשהו אז. ליתר דיוק, התרומה של אנרגיה אפלה (כמו גם של צורות אנרגיה חדשות והיפותטיות אחרות) לצפיפות האנרגיה הכוללת בתקופת התגובות התרמו-גרעיניות מוגבלת לכ- 15%. נראה שהדיוק אינו גבוה במיוחד, אך אל תשכח כי אנו מדברים על השניות הראשונות לאחר המפץ הגדול!
אז, השפעת האנרגיה האפלה והאצת התפשטות היקום הנגרמת על ידיו
- תופעות בסטנדרטים קוסמולוגיים הן די חדשות: התאוצה החלה "רק" לפני 6.5 מיליארד שנה. מצד שני, מכיוון שצפיפות החומר הרגיל פוחתת עם הזמן, אך צפיפות האנרגיה האפלה אינה, אנרגיה אפלה בקרוב (שוב, בסטנדרטים קוסמולוגיים) תשלט לחלוטין. המשמעות היא שהשלב הנוכחי של האבולוציה הקוסמולוגית הוא תקופת מעבר כאשר אנרגיה אפלה כבר ממלאת תפקיד משמעותי, אך התפשטות היקום נקבעת לא רק על ידו, אלא גם על ידי חומר רגיל. האם ייחוד זה מתקופתנו הוא צירוף מקרים מקרי, או שמא יש מאפיין עמוק של היקום שלנו מאחוריו? השאלה הזו
-"למה עכשיו?" - נשאר פתוח לעת עתה.

4 מועמדים

4.1 אנרגיית ואקום \u003d קבוע קוסמולוגי

אם לא היה כוח משיכה, לערך המוחלט של האנרגיה לא תהיה שום משמעות פיזית. בכל התיאוריות המתארות את הטבע, למעט תיאוריית האינטראקציות הכבידתיות, רק ההבדל באנרגיות של מצבים מסוימים הגיוני. אם כן, אם מדברים על אנרגיית הקישור של אטום מימן, אנו מתכוונים להפרש בין שתי כמויות: אנרגיית המנוחה הכוללת של פרוטון חופשי ואלקטרון, מצד אחד, ואנרגיית השאר של אטום, מצד שני. הבדל האנרגיה הזה הוא המשתחרר (מועבר לפוטון הנולד) כאשר אלקטרון ופרוטון מתאחדים ליצירת אטום. באותו אופן, על ידי אנרגיית המנוחה של פרוטון, אנו מתכוונים למעשה להבדל בין האנרגיות של מצב שיש בו פרוטון, לבין מצב ללא פרוטון - ואקום. אלמלא האינטראקציה הכבידתית, אין משמעות לדבר על אנרגיית הוואקום, פשוט לא יהיה עם מה להשוות אותה.

המצב שונה לחלוטין אם אנו מעוניינים רק באינטראקציות כוח משיכה. אנרגיית הוואקום, כמו כל אנרגיה אחרת, "שוקלת", נמשכת. ואקום הוא מצב עם האנרגיה הנמוכה ביותר (לכן, אגב, לא ניתן לקחת ממנו אנרגיה), אך אנרגיה זו כלל אינה חייבת להיות שווה לאפס; מנקודת מבט תיאורטית, זה יכול להיות חיובי או שלילי. האם ניתן לחשב אותו "מעקרונות ראשונים" זו שאלה גדולה. אבל בכל מקרה, לאנרגיית הוואקום, אם היא חיובית, יש בדיוק את המאפיינים שצריכה להיות לאנרגיה אפלה. ואכן, הוואקום זהה בכל מקום (לפחות בחלק הגלוי של היקום). ההנחה של ההפך תוביל לסתירות, למשל, עם תצפיות על קרינת השרידים: בשואבים שונים, התכונות של פלזמה קוסמית בתקופת הפליטה האחרונה של הפוטונים יהיו שונות מאוד, והטמפרטורות של הפוטונים הנפלטים יהיה גם שונה מאוד. יהיו סתירות בלתי ניתנות להתגברות עם תצפיות. אז, הוואקום זהה בכל מקום. צפיפות האנרגיה שלו זהה. הוואקום לא יכול להיות איפשהו "עבה" יותר, אבל איפשהו "נדיר" יותר, אחרת זה לא יהיה ואקום. לכן, כנדרש לאנרגיה אפלה, אנרגיית הוואקום מופצת באופן שווה ברחבי היקום.

יתר על כן, עם התרחבות איטית יחסית של היקום (וזה בדיוק המצב עכשיו והיה המצב בעבר הנראה לעין), הוואקום נשאר זהה. תכונות הוואקום נקבעות על ידי הפיזיקה של מרחקים וזמנים קצרים במיוחד, וההתרחבות האיטית של היקום אינה משתקפת בהם. לכן, שוב כנדרש, צפיפות אנרגיית הוואקום אינה תלויה בזמן. כפי שאמרנו לעיל, בתורת היחסות הכללית, המאפיין האחרון אומר אוטומטית שאנרגיית הוואקום מובילה להתרחבות מואצת של היקום. לפיכך, הוואקום הוא אכן מועמד מתאים לתפקיד נושא האנרגיה האפלה.
אנו מדגישים כי היעדר תלות של צפיפות האנרגיה במיקום בחלל ובזמן הוא המאפיינים המדויקים, לא המשוערים של הוואקום, המבדילים אותו ממועמדים אחרים לתפקיד האנרגיה החשוכה. צפיפות האנרגיה של הוואקום היא קבועה עולמית (לפחות באותו חלק ביקום שאנו צופים בו). יש לומר כי קבוע זה - הקבוע הקוסמולוגי, מונח ה- A - הוכנס למשוואותיו על ידי איינשטיין. נכון, הוא לא זיהה את זה עם אנרגיית הוואקום, אבל זו שאלה של טרמינולוגיה, לפחות בהבנה המודרנית של מהות העניין.
מאוחר יותר, איינשטיין זנח את הרעיון שלו - אולי לשווא.
מדוע המושג אנרגיה אפלה כאנרגיית הוואקום אינו מספק הרבה פיזיקאים? הדבר נובע בעיקר מהערך הנמוך באופן אבסורדי של צפיפות אנרגיית הוואקום, הדרוש להסכמה בין תיאוריה לתצפיות.

בוואקום, חלקיקים וירטואליים נולדים ומתים כל הזמן, יש בו עיבוי שדה - באופן כללי, הוואקום די דומה; סביבה מורכבת מאשר ריקנות מוחלטת. זו לא רק ספקולציה: מאפייני הוואקום באים לידי ביטוי בתכונות של חלקיקים אלמנטריים ובאינטראקציה שלהם והם נקבעים בסופו של דבר, אם כי בעקיפין, מניסויים רבים. אנרגיית הוואקום, באופן עקרוני, צריכה "לדעת" כיצד היא פועלת, מה המבנה שלה ומה הערכים של הפרמטרים המאפיינים אותה (למשל עיבוי שדה).
עכשיו דמיין תאורטיקן שלמד פיזיקה של חלקיקים אלמנטריים, אך לא שמע דבר על היקום. בואו נבקש מתיאורטיקן זה לחזות את צפיפות האנרגיה של הוואקום. בהתבסס על מאזני האנרגיות האופייניים לאינטראקציות יסודיות, ועל סולמות האורכים המקבילים, הוא יעריך את הערכתו - ויבוא לטעות במספר פעמים בלתי נתפס. כבר דיברנו על זה: סולם האנרגיה של אינטראקציות בסיסיות הוא לפחות 200 מיליון וולט אלקטרונים, והסולם הנדרש מתצפיות המתאימות לאנרגיית הוואקום (אם אנרגיה חשוכה היא אנרגיית הוואקום) הוא 0.002 וולט אלקטרונים. אי התאמה זו יכולה לבוא לידי ביטוי כדלקמן: התיאורטיקן שלנו היה מנבא אנרגיית ואקום כה גדולה וקצב התפשטות כזה של היקום הנגרם על ידיה, עד שבתים ברחוב הבא יצטרכו להתפזר מאיתנו במהירות קרובה למהירות אוֹר!

ניתן להסביר את בעיית אנרגיית הוואקום בצורה מעט שונה. כן, ביקום שלנו האנרגיה הזו קרובה מאוד לאפס. תאר לעצמך עכשיו יקום אחר, שבו הכל זהה לשלנו, רק נניח, המוני החלקיקים האלמנטריים שונים במקצת משלנו. אז אם ההבדל הזה הוא רק חלק ממיליארד, אז אנרגיית הוואקום ביקום אחר זה תהיה טריליון פעמים גדולה משלנו (בערך מוחלט). השאלה היא, כיצד התרחשה התאמה כה טובה ביקום שלנו?

בעיית אנרגיית הוואקום (המכונה גם בעיית הקבוע הקוסמולוגי) הדהימה את הפיזיקאים התיאורטיים הרבה לפני גילוי האנרגיה האפלה. אז בשנות העשרים והשלושים של המאה העשרים הבעיה הזו הדאיגה את וו פאולי *), שכתב בשנת 1933: "האנרגיה הזו [של הוואקום; אז הם השתמשו במונח" אנרגיית נקודת אפס "," Nullpunktsenergie "] חייבת להיות בלתי ניתנת לצפייה באופן עקרוני. , מכיוון שהוא לא נפלט, נקלט, לא מפוזר ... ומכיוון שכפי שברור מניסיון, הוא לא יוצר שדה כבידה. " למה זה קורה? אפשרות אחת היא שהאנרגיה של החלל הריק איכשהו משתנה עם הזמן ובסופו של דבר מתקרבת לאפס. קשה מאוד לבנות מודלים תיאורטיים קונקרטיים הממחישים אפשרות זו, אך הדבר אפשרי; קשה עוד יותר להתאים אותם להקשר הקוסמולוגי. וזה לא מובן לחלוטין כיצד לאורך הדרך הזו ניתן לקבל הסבר לעובדה שאנרגיית הוואקום אינה כל כך קרובה לאפס עד כדי חוסר משמעות לקוסמולוגיה, אלא להפך, שהיא מקבלת את הערך הנדרש. עד כה איש לא הצליח לעשות זאת.

אם אנרגיה אפלה היא אנרגיית ואקום, אז אתה יכול לנסות להבין מדוע יש לה ערך כל כך קטן, תוך היגיון אחר לגמרי. בואו נדמיין שהיקום הוא גדול ביותר, שהוא גדול פי כמה מהחלק שאנו צופים בו. נניח עוד שבחלקים שונים, עצומים מאוד של היקום, ניתן לממש מגוון מצבי ואקום עם צפיפות אנרגיה שונה מאוד. אפשרות כזו, אגב, אפשרית תיאורטית; יתר על כן, נראה שזה המקרה בתורת מיתרי העל, במיוחד אם היקום עבר שלב אינפלציוני. אזורים ביקום בהם צפיפות אנרגיית הוואקום גבוהה מדי בערכה המוחלט נראים שונים לחלוטין מהאזור שלנו: היכן שאנרגיית הוואקום גדולה וחיובית, החלל מתרחב במהירות כה רבה עד שלכוכבים ולגלקסיות פשוט אין זמן להיווצר; באזורים עם אנרגיית ואקום שלילית גבוהה, הרחבת החלל מוחלפת במהירות בכיווץ, ואזורים אלה קורסים הרבה לפני היווצרותם של כוכבים. בשני המקרים, האבולוציה הקוסמולוגית אינה מתיישבת עם קיומם של משקיפים כמונו. ולהיפך, יכולנו להופיע רק במקום שצפיפות אנרגיית הוואקום קרובה מאוד לאפס - הופענו שם. זה מרמז על אנלוגיה עם עובדה אחרת, ברורה למדי: אנו קיימים על פני כדור הארץ, פחות או יותר מתאימים לחיים, ולא במקום שרירותי ביקום, שבו אין תנאים לחיים בכלל.

תפישה אנתרופית זו לבעיית אנרגיית הוואקום באה לידי ביטוי לפני יותר מעשרים שנה ביצירותיהם של א 'לינדה וש' וויינברג. עכשיו הוא פופולרי בקרב חלק ניכר מהפיזיקאים התיאורטיים. חלק אחר תופס זאת כדרך להתרחק מהשאלה אילו סיבות פיזיות קובעות למעשה אנרגיית ואקום נצפית כה קטנה, והאם טבעה של אנרגיה אפלה שונה לחלוטין. הגישה המאוזנת ביותר היא ככל הנראה לא לשלול הסבר אנתרופי כתשובה סופית אפשרית, אך עדיין לנסות למצוא פיתרון חלופי לבעיות של אנרגיית ואקום ואנרגיה אפלה.

4.2 שדות קלים
אלטרנטיבה לוואקום כמוביל אנרגיה אפלה יכולה להיות שדה חדש "שנשפך" ביקום. בגרסה זו, האנרגיה של השדה החדש היא אנרגיה אפלה. שדה זה אמור להיות חדש מכיוון שנוכחות שדות ידועים (למשל, אלקטרומגנטיים) בכל מקום ביקום תשפיע בצורה חזקה מדי על התנהגות החומר ותוביל לתופעות שהיו מתגלות כבר מזמן. בנוסף, השדות הידועים הם כאלה שהאנרגיה שלהם אינה מחזיקה בתכונות האנרגיה הכהה המפורטות לעיל.
השדה החדש ההיפותטי צריך להיות בסולם אנרגיה של 0.002 וולט אלקטרונים. אמנם מדובר בקנה מידה קטן מאוד מבחינת אינטראקציות ידועות, אך הוא לא נראה סביר לחלוטין. ואכן, אנו כבר יודעים שסולם האינטראקציות השונות שונה מאוד בינם לבין עצמם. אז הסולם המוזכר של אינטראקציות חזקות (200 מיליון וולט אלקטרונים) קטן פי 1019 מסולם כוחות הכבידה. הבדל עצום שכזה, כמובן, כשלעצמו דורש הסבר, אך זהו נושא נפרד. בכל מקרה, קיומם של מאזני אנרגיה שונים בטבע הוא עובדה, והכנסת קנה מידה חדש וקטן אינה נראית כמו מכשול שאי אפשר להתגבר עליו.
באופן כללי, התחום החדש משתנה במהלך התפתחות היקום. גם צפיפות האנרגיה שלו משתנה. כדי שהשינוי הזה לא יהיה מהיר מדי, חייבים כי לכמות השדה החדשה - החלקיקים החדשים - תהיה מסה קטנה ביותר; הם אומרים שהשדה הזה צריך להיות קליל.
לבסוף, השדה החדש הוא כוח חדש (כמו ששדה הכבידה תואם את הכבידה, והשדה האלקטרומגנטי תואם את הכוחות החשמליים והמגנטיים). שדה אור בעל מסה נמוכה במיוחד הוא כוח לטווח ארוך, הדומה לכוח המשיכה.
כדי לא לסתור את הניסויים לבדיקת תורת היחסות הכללית, האינטראקציה של שדה זה עם חומר רגיל צריכה להיות חלשה מאוד, חלשה יותר מכוח הכבידה.

כל המאפיינים הללו לא נראים אטרקטיביים עבור התיאורטיקן, אך ניתן להשלים איתם. חשוב שהשערת השדה החדש, לפחות באופן עקרוני, תודה באימות ניסיוני. ראשית, כתוצאה ממדידות מדויקות יותר של קצב התפשטות היקום בשלב הנוכחי ובעבר, יתברר כי צפיפות האנרגיה הכהה משתנה לאורך זמן. פעולה זו תדחה באופן חד משמעי את ההשערה בדבר טבע האקום של אנרגיה אפלה ולהיפך, תשמש אינדיקציה לקיומו של שדה אור חדש ביקום. שנית, בטווח הארוך אפשר לקוות למצוא חלוקה לא אחידה של אנרגיה אפלה בחלל. זו תהיה ההוכחה האולטימטיבית לכך שאנרגיה אפלה היא האנרגיה של השדה החדש ולא שום דבר אחר.

מצד שני, כיום אין דרכים לרשום שדה אור חדש בניסויי מעבדה, במאיצים וכו '. הסיבה היא האינטראקציה החלשה ביותר של תחום זה עם חומר. אולם פסימיות כזו יכולה להיות זמנית באופיה: אנו יודעים מעט מדי על התחום החדש כדי לא לכלול לחלוטין את האפשרות של מחקר ניסיוני ישיר שלו בעתיד. אף פעם אל תגיד אף פעם".

פיזיקאים דנים בסוגים שונים של שדות אור היפותטיים, אשר האנרגיה שלהם יכולה לשמש כאנרגיה אפלה. בגרסה הפשוטה ביותר תיאורטית, צפיפות האנרגיה של השדה החדש פוחתת עם הזמן. עבור שדה מסוג זה משתמשים במונח "תמצית" (לפעמים משתמשים גם במונח "קוסמון"). עם זאת, האפשרות ההפוכה אינה נכללת כאשר צפיפות האנרגיה עולה עם הזמן; שדה מסוג זה נקרא "פנטום". הפנטום יהיה תחום אקזוטי מאוד; דבר כזה מעולם לא נמצא בטבע. ההבחנה בין ממצות לפנטום, כפי שנדון בהמשך, חשובה מנקודת מבטו של העתיד הרחוק של היקום.

4.3 כוח משיכה חדש

לבסוף, הסבר אפשרי נוסף לאנרגיה אפלה הוא שאין באמת אנרגיה אפלה. יש להשתמש באנרגיה אפלה כדי להסביר את מאפייני התפשטות היקום אם האבולוציה הקוסמולוגית מתוארת על ידי תורת היחסות הכללית. אם תיאוריה זו אינה מיושמת בקנה מידה קוסמולוגי מודרני של אורכים וזמנים, אין גם צורך באנרגיה אפלה.

כמובן, ראייה זו של אנרגיה אפלה צריכה לקחת בחשבון את העובדה כי תורת היחסות הכללית נבדקת היטב במאזני מרחק קטנים יותר. לכן, יש צורך ליצור תיאוריית כוח משיכה חדשה, שתעבור לתורת היחסות הכללית במרחקים אלה, אך תתאר את התפתחות היקום באיחור יחסית, קרוב לשלבינו (אך לא בשלב של תגובות תרמו-גרעיניות בשניות הראשונות לאחר המפץ הגדול). זו משימה קשה, במיוחד אם ניקח בחשבון את הדרישה של עקביות עצמית, את העקביות הפנימית של התיאוריה. עם זאת, נעשים ניסיונות כאלה, וחלקם נראים מבטיחים למדי.

אחת האפשרויות היא להפסיק להתייחס לקבוע של הגרביטציה האוניברסלית כקבוע, לאפשר לו שינוי במרחב ובזמן, ולציית למשוואות מסוימות. למרבה הצער, הגרסאות היפות ביותר של התיאוריה שמממשות אפשרות זו נדחו על ידי ניסויים לבדיקת תורת היחסות הכללית. אם אינך רודף אחרי יופי, ניתן לבנות לאורך נתיב זה מודלים המסבירים את התפשטותו המואצת של היקום ועולים בקנה אחד עם כל הידוע על כוח המשיכה. מודלים כאלה, ככלל, מנבאים סטיות מיחסות כללית, שאמנם ניתנות לגילוי ניסיוני בעתיד.

אנו מציינים גם את הרעיון שהמרחב שלנו יכול להיות בעל יותר משלושה ממדים, בעוד ממדים נוספים במרחקים רגילים אינם מתבטאים בשום דבר. יחד עם זאת, במרחקים קוסמולוגיים של מיליארדי שנות אור, קווי הכוח של שדה הכבידה יכולים "להתגנב" לממדים נוספים, ולכן כוח המשיכה כבר לא יתואר על ידי חוק ניוטון הרגיל. חוק הרחבת היקום עשוי להשתנות גם כן. תיאוריה מספקת לחלוטין להסביר את התפשטותו המואצת של היקום בדרך זו טרם נבנתה; במודלים שהוצעו עד היום, רעיון זה מתממש רק באופן חלקי. אולם מדהים שמודלים אלה מובילים לחיזויים שלהם לניסוי. ביניהם - האפשרות לשנות את חוק הכבידה של ניוטון במרחקים קטנים; תיקונים קטנים אך ניתנים לגילוי לתורת היחסות הכללית במערכת השמש וכו '.

אז, המאפיינים שהתגלו לאחרונה של התרחבות היקום העלו שאלה חדשה: האם הם נובעים מאנרגיית הוואקום, האנרגיה של שדה אור חדש או כוח משיכה חדש במרחקים גדולים במיוחד? המחקר התיאורטי של אפשרויות אלה נמצא בעיצומו, והתשובה, כרגיל בפיזיקה, תצטרך בסופו של דבר לספק ניסויים חדשים.

5 אנרגיה אפלה ועתיד היקום

עם גילוי האנרגיה האפלה, רעיונות לגבי העתיד הרחוק של היקום שלנו השתנו באופן דרמטי. לפני גילוי זה, שאלת העתיד נקשרה באופן חד משמעי לשאלת העקמומיות של החלל התלת מימדי. אם, כפי שרבים האמינו בעבר, עקמומיות החלל ב- 2/3 תקבע את קצב התפשטותו הנוכחי של היקום, ולא הייתה אנרגיה אפלה, הרי שהיקום היה מתרחב ללא הגבלת זמן, בהאטה בהדרגה. כעת ברור שהעתיד נקבע על ידי תכונות האנרגיה האפלה.

מכיוון שאנו מכירים נכסים אלה בצורה גרועה כעת, איננו יכולים עדיין לחזות את העתיד. אתה יכול לשקול רק אפשרויות שונות. קשה לומר על המתרחש בתיאוריות עם כוח המשיכה החדש, אך יש אפשרות לדון בתרחישים אחרים כרגע. אם אנרגיה אפלה קבועה בזמן, כמו במקרה של אנרגיית ואקום, הרי שהיקום תמיד יחווה התרחבות מואצת. בסופו של דבר רוב הגלקסיות יתרחקו משלנו במרחק עצום, והגלקסיה שלנו, יחד עם כמה שכנים, יתבררו כאי בריק. אם האנרגיה האפלה היא התמצית, הרי שבעתיד הרחוק ההתפשטות המואצת עשויה להיפסק ואף להחליפה בכיווץ. במקרה האחרון, היקום יחזור למצב עם חומר חם וצפוף, "המפץ הגדול הפוך" יתרחש, בזמן.

גורל דרמטי עוד יותר מצפה ליקום אם אנרגיה אפלה היא פנטום וכזו שצפיפות האנרגיה שלו עולה ללא הגבלת זמן. התפשטות היקום תהיה מהירה יותר ויותר, היא תאיץ כל כך הרבה עד שגלקסיות ייקרעו מאשכולות, כוכבים מגלקסיות, כוכבי לכת ממערכת השמש. הדברים יגיעו עד כדי כך שהאלקטרונים יתנתקו מהאטומים, וגרעינים אטומיים יחולקו לפרוטונים ונויטרונים. תהיה, כמו שאומרים, הפסקה גדולה.

אולם תרחיש כזה לא נראה סביר במיוחד. סביר להניח שצפיפות האנרגיה הפנטומית תישאר מוגבלת. אבל גם אז היקום יכול לצפות לעתיד יוצא דופן. העובדה היא שבתאוריות רבות התנהגות הרפאים - עלייה בצפיפות האנרגיה עם הזמן - מלווה בחוסר יציבות בתחום הרפאים. במקרה זה, שדה הפנטום ביקום יהפוך לא-הומוגני ביותר, צפיפות האנרגיה שלו בחלקים שונים של היקום תהיה שונה, חלקים מסוימים יתרחבו במהירות, וחלקם עלולים לקרוס. גורלו של הגלקסיה שלנו יהיה תלוי לאיזה אזור הוא נופל.

אולם כל זה מתייחס לעתיד, רחוק אפילו בסטנדרטים קוסמולוגיים. במשך 20 מיליארד השנים הבאות, היקום יישאר כמוהו. יש לנו זמן להבין את תכונות האנרגיה האפלה ובכך לחזות יותר את העתיד - ואולי להשפיע עליו.

אקדמאי האקדמיה הרוסית למדעים, רובקוב V.A.