Гасан Бийболатов - Мера тайны

Гипотеза о существовании «темной материи» решает так называемую «проблему невидимой массы». Теория нуклеосинтеза Большого Взрыва объясняет формирование в молодой Вселенной легких химических элементов, таких как: гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структуры объясняет формирование структуры Вселенной: происхождения звезд, квазаров, галактик и галактических скоплений. Обе теории предполагают, что плотность барионной материи и «темной материи» составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской. Изменения реликтового излучения Вселенной, недавно проведенные спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна восполнить отсутствующие 70 % плотности Вселенной.

Сущность «темной энергии», «темной материи» является предметом споров в научной среде. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность и не взаимодействует сколь-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия, за исключением гравитации. Самое простое объяснение заключается в том, что «темная энергия» – это просто «стоимость существования пространства», то есть, любой объем пространства должен иметь некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Это есть космологическая постоянная или энергия вакуума, иногда ее называют «лямбда-член». Введение космологической константы в стандартную модель, основанную на метрике Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда – CDM модель. Она хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Многие физические теории элементарных частиц также предсказывают существование вакуумных флуктуаций. Значение космологической константы оценивается в 1.03 кэВ/см.куб. Она имеет отрицательное давление, равное ее энергетической плотности. Причина, по которой космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекает из классической термодинамики.Количество энергии, заключенное в «коробке с вакуумом» объема, при увеличении «коробки» приводит к возрастанию ее внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Простыми словами, пространство в «коробочке» еще больше разряжается, что справедливо для замкнутого (внутреннего) пространства.

Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы (плотности), но и от давления, причем давление имеет больший коэффициент, чем плотность. Таким образом, отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной. Важнейшая нерешенная проблема современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы, на многие порядки превосходящее допустимое по космическим представлениям.

Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом. Он исходил из предположения, что темная энергия – это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Простыми словами, чтобы не «собираться» в кучу, как обычная материя, она должна быть очень легкой, т.е. иметь большую комптоновскую длину волны. Данная гипотеза предсказывает более медленное ускорение расширения Вселенной, тем не менее – расширения. Некоторые ученные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени.Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны опять же приобретать значительную массу.

Проблема «космического совпадения» ставит вопрос: почему ускорение Вселенной началось именно в определенный момент времени? Если бы оно началось раньше этого момента, звезды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Практически во всех моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая ее) до момента развития Большого взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения.После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «темная энергия», в конце концов – господствует во Вселенной.