Блог 34. Темная Материя и Темная Энергия

Статья

***

Эпиграф:

"Тёмную материю можно охарактеризовать всего двумя словами: «вездесущая» и «неуловимая». Если вспоминать школьный курс физики, то можно припомнить, что видов взаимодействия (по крайней мере, нам известных) существует всего четыре — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое."

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ И ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Темная материя

Вся материя, которую мы можем видеть и понимать, включая звезды, планеты и атомы, составляют менее 5% Вселенной. Более 95% нашей Вселенной состоит из тёмной энергии (70%) и тёмной материи (25%), ни одну из которых мы не понимаем, и обе невидимы. Тем не менее, несмотря на их таинственную природу, у нас есть доказательства их существования и важности. Что мы знаем об этих тёмных, захватывающих аспектах нашей Вселенной?

Млечный путь вращается так быстро, что её звезды должны были бы разбросаны повсюду, так как всё, что мы можем видеть вокруг нас, имеет только 10% гравитации, необходимой для удержания звёзд на своих орбитах. Галактики и сверхскопления становятся возможными благодаря дополнительной гравитации тёмной материи — материи, которая не испускает и не отражает свет. Концентрации тёмной материи, однако, искривляют свет, проходящий поблизости. Мы также знаем, что она медленная и тяжелая, так как она должна быть холодной либо медленной, чтобы гравитационно объединить галактики и кластеры.

Существует несколько объяснений того, что может быть причиной этого явления.
Тёмная материя может состоять из частиц. Наша барионная материя состоит из частиц (протоны, нейтроны, электроны), которые мы уже обнаружили, но частицы тёмной материи трудно обнаружить, потому что они не взаимодействуют со светом. Такими частицами могут быть странные и экзотические новые частицы, которые никоим образом не взаимодействуют со светом и материей или частицы с какими-то новыми свойствами, что это выходит за рамки нашего нынешнего понимания физики. В теории струн уже есть некоторые частицы, которые могли бы объяснить тёмную материю — вимпы, аксионы или нейтралино, но нам нужно сначала обнаружить их, чтобы подтвердить эту теорию.
Другое решение говорит о том, что мы не пропускаем барионную материю, необходимую для обеспечения гравитации для структуры Вселенной, но вместо этого гравитация действует по-разному на более массивные объекты, такие как галактики и сверхскопления. Но это решение включало бы признание того, что Общая теория относительности Эйнштейна ошибочна, хотя эта теория прошла многочисленные проверки с момента её появления. Это также означает, что мы имеем недостаточное или неправильное понимание физики элементарных частиц.
Одно из наиболее креативных, но всё же возможных объяснений тёмной материи говорит о том, что мы находимся на одном уровне существования, но что есть и другой уровень, который находится всего в нескольких дюймах от нас. Поскольку свет путешествует под этой вселенной, некоторые объекты внутри неё будут невидимы. Однако, поскольку гравитация — это не что иное, как искривление пространства, если пространство между двумя плоскостями даже немного согнуто, гравитационные силы могут перемещаться поперек. Внезапно мы получаем точное описание тёмной материи — невидимой массы, имеющей гравитацию. Это своеобразное явление не может быть ничем иным, как обычной материей, но из другого измерения.
Мы также знаем то, чем не является тёмная материя. Это не антиматерия, так как антиматерия производит уникальные гамма-лучи, как только она вступает в контакт с нормальным веществом. Это также не скопления обычной материи, так как тогда она будет излучать частицы, которые мы могли бы обнаружить, и, наконец, это не чёрная дыра, так как чёрные дыры компактны, а тёмная материя, похоже, рассеяна повсюду во Вселенной.

Темная Энергия

Если тёмная материя кажется странной, то всё становится ещё более запутанным, когда мы добираемся до тёмной энергии.

Эйнштейн предсказал расширение Вселенной (скорость, которую мы теперь называем постоянной Хаббла и которая присутствовала в уравнениях общей теории относительности), но современные измерения показывают более высокую скорость, чем предсказал Эйнштейн. До того, как были сделаны эти измерения, считалось, что расширение Вселенной замедлится, и она в конечном итоге схлопнется снова в себя, но теперь наиболее вероятным результатом является то, что наша Вселенная будет продолжать расширяться всегда, что в конечном итоге приведет к так называемой тепловой смерти.

Это непрерывное ускорение Вселенной происходит благодаря тёмной энергии — отталкивающей силе, которая действует противоположным образом, чем тёмная материя, заставляя Вселенную расширяться, а не объединяться в организованные структуры. Это свойство, которое, по-видимому, является частью пустого пространства, а эта энергия более сильная и более концентрированная, чем всё остальное во Вселенной. Если это свойство пустого пространства, это означает, что пустое пространство — это не ничто, а что-то.

Нет никакого способа обнаружить или измерить тёмную энергию, но мы можем принять к сведению последствия её действия.

Как уже говорилось ранее, наиболее вероятным концом Вселенной является Тепловая смерть — расширение, приводящее к превращению вещества в излучение и остановке всех процессов во Вселенной спустя огромное количество времени. Эта Тепловая смерть является результатом продолжающегося расширения, вызванного тёмной энергией и отсутствием материи, необходимой для противодействия этому расширению. Но такая недостаточно плотная вселенная должна иметь очень странную форму. Вместо этого наша Вселенная почти совершенно плоская, что может быть возможно только благодаря притоку новой энергии во всем пространстве.

Возможные формы для Вселенной.

Согласно Общей теории относительности, энергия или масса искривляют пространство-время. Используем наглядный пример, чтобы лучше понять, как работает тёмная энергия.

Внутри резервуара под давлением быстро движущиеся частицы давят на его стенки. Это, однако, не механизм тёмной энергии, поскольку он имеет место только в том случае, если существует разность давлений между двумя областями. В примере с резервуаром снаружи есть меньшее давление, чем внутри, но у Вселенной нет этой проблемы — давление почти везде одинаково.

Тёмная энергия, как было показано, имеет отрицательное давление, давление, которое тянет внутрь. Но это вызывает удивительное противоречие, учитывая влияние тёмной энергии, вызывающее расширение Вселенной! Это происходит потому, что отрицательное давление не оказывает прямого влияния на гладкую вселенную, но оно вызывает релятивистское расширение, приводящее к антигравитации, доказанной математическими уравнениями.

Так откуда же берётся вся эта энергия? Мы не знаем. Может, ниоткуда. Закон сохранения энергии не применяется ко Вселенной, которая постоянно расширяется, так как общая теория относительности утверждает, что энергия может быть навсегда потеряна и получена из ничего.

Другие теории предполагают, что тёмная энергия — это неизвестная энергетическая жидкость или поле, которое каким-то образом оказывает противоположный эффект, чем нормальная энергия и материя. Возможно, это спонтанные частицы, которые приходят из ничего и возвращаются в ничто.

Мы не знаем, но мы продолжаем изучать таинственную тёмную материю и тёмную энергию, потому что они являются ключом к пониманию нашей Вселенной и ее будущего.

Опять о Темной материи

Тёмная мате́рия в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии. Понятие тёмной материи введеноПерейти к разделу «#История» для теоретического объяснения проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования (в них задействовано вещество, масса которого намного превышает массу обычной видимой материи); среди прочих предложенныхПерейти к разделу «#Альтернативные теории» оно наиболее удовлетворительно.

Состав Вселенной по данным WMAP, используемым в рамках модели Лямбда-CDM
Состав и природа тёмной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной тёмной материиПерейти к разделу «#Холодная тёмная материя». Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц тёмной материи — вимпыПерейти к разделу «#Суперсимметричные частицы». Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаруженыПерейти к разделу «#Физическое обнаружение гипотетических частиц тёмной материи».

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.

Давайте на минуту отвлечемся от темной знергии материи и посмотрим, какие виды энергий известны на сегодня в физике, а также вспомним о расширяющейся Вселенной.

ВИДЫ ЭНЕРГИИ

1. Механическая       

В физике механи́ческая эне́ргия описывает сумму потенциальной и кинетической энергий, имеющихся в компонентах механической системы. Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу; это энергия движения и сопровождающего его взаимодействия.

       - Потенциальная

Потенциа́льная эне́ргия U({\vec  r}) — скалярная физическая величина, представляющая собой часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил.

Потенциальная энергия зависит от положения материальных точек, составляющих систему, и характеризует работу, совершаемую полем при их перемещении. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы и описывающая взаимодействие элементов системы.

Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином.
Единицей измерения потенциальной энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль, а в системе СГС — эрг.

        -  Кинетическая

Кинети́ческая эне́ргия — скалярная функция, являющаяся мерой движения материальных точек, образующих рассматриваемую механическую систему, и зависящая только от масс и модулей скоростей этих точек. Работа всех сил, действующих на материальную точку при её перемещении, идёт на приращение кинетической энергии.

2. Внутренняя

Вну́тренняя эне́ргия — принятое в физике сплошных сред, термодинамике и статистической физике название для той части полной энергии термодинамической системы, которая не зависит от выбора системы отсчета и которая в рамках рассматриваемой задачи может изменяться. То есть для равновесных процессов в системе отсчета, относительно которой центр масс рассматриваемого макроскопического объекта покоится, изменения полной и внутренней энергии всегда совпадают. Перечень составных частей полной энергии, входящих во внутреннюю энергию, непостоянен и зависит от решаемой задачи. Иначе говоря, внутренняя энергия — это не специфический вид энергии, а совокупность тех изменяемых составных частей полной энергии системы, которые следует учитывать в конкретной ситуации.

Внутренняя энергия как специфическое для термических систем понятие, а не просто как термин для обозначения изменяемой части полной энергии, нужна постольку, поскольку с её помощью в физику вводят новые величины: термические (температура и энтропия) и химические (химические потенциалы и массы составляющих систему веществ).

Деление полной энергии системы на потенциальную, кинетическую, внутреннюю и т. д. зависит от формальных определений этих понятий и поэтому достаточно условно[K 1][K 2]. Так, иногда во внутреннюю энергию не включают потенциальную энергию, связанную с полями внешних сил. Важно, что правильность получаемых при решении конкретной задачи результатов зависит от корректности составления уравнения энергетического баланса, а не от терминологических нюансов.

Воспринимаемые органами чувств человека нагрев или охлаждение макроскопического объекта при прочих равных условиях (например, при постоянстве давления) есть проявления изменения внутренней энергии этого объекта: при повышении температуры внутренняя энергия системы увеличивается, а при понижении температуры — уменьшается. Обратное неверно: постоянство температуры объекта не означает неизменность его внутренней энергии (например, температура системы неизменна при фазовых переходах первого рода — плавлении, кипении и др.).

3. Электромагнитная

Эне́ргия электромагни́тного по́ля — энергия, заключенная в электромагнитном поле. Сюда же относятся частные случаи чистого электрического и чистого магнитного поля.

      - Электрическая

Электрическое поле (иногда E-field) — это физическое поле, которое окружает каждый электрический заряд и оказывает силовое воздействие на все другие заряды, притягивая или отталкивая их.  Электрические поля возникают из-за электрических зарядов или из изменяющихся во времени магнитных полей. Электрические и магнитные поля рассматриваются как проявления более общего электромагнитного поля, которое является проявлением одной из четырёх фундаментальных взаимодействий (электромагнитное) природы.

Электрические поля важны во многих областях физики и используются практически в электротехнике. Например, в атомной физике и химии электрическое поле — это сила удерживающая атомное ядро и электроны вместе в атомах. Эта сила отвечает за химические связи между атомами, в результате которых образуются молекулы.

Другие применения электрических полей включают обнаружение движения посредством ёмкостных методов и растущее число диагностических и терапевтических медицинских применений.

Электрическое поле математически определяется как векторное поле, которое связывает с каждой точкой в пространстве силу (электростатическую или кулоновскую) на единицу заряда, приложенную к бесконечно малому положительному пробному заряду, покоящемуся в этой точке. В системе СИ единица измерения электрического поля: вольт на метр (В / м), в точности эквивалентна ньютону на кулон (N / C).

      - Магнитная

Магни́тное по́ле — поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Основной количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции \mathbf {B}  (вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения, магнитное поле описывается векторным полем {\mathbf  {B}}={\mathbf  {B}}(x,y,z), заданным в каждой точке пространства.

Вместо магнитной индукции, для описания магнитного поля можно использовать ещё одну фундаментальную величину, тесно с ней взаимосвязанную - векторный потенциал.

Нередко в литературе в качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме (то есть в отсутствие вещества) выбирают не вектор магнитной индукции {\mathbf  {B}}, а вектор напряжённости магнитного поля \mathbf {H} , что формально можно сделать, так как в вакууме эти два вектора совпадают; однако в магнитной среде вектор \mathbf {H}  не несёт уже того же физического смысла, являясь важной, но всё же вспомогательной величиной. Поэтому при формальной эквивалентности обоих подходов для вакуума, с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно {\mathbf  {B}}.

Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которой осуществляется  между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом

3. Химическая

Химическая энергия — потенциал вещества трансформируется в химической реакции или трансформирует другие вещества.

Создание или разрушение химических связей происходит с выделением (экзотермическая реакция) или поглощением (эндотермическая реакция) энергии. В популярной литературе под термином химическая энергия чаще всего подразумевают энергию, которую вещество или смесь веществ выделила в результате экзотермической реакции.

В химической термодинамике используется термин химический потенциал.

В более узком смысле химическая энергия, получаемая при сгорании топлива, называется удельная теплота сгорания.

4. Ядерная

Я́дерная эне́ргия (а́томная эне́ргия) — энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.

В природе ядерная энергия выделяется в звёздах, а человеком применяется, в основном, в ядерном оружии и ядерной энергетике, в частности, на атомных электростанциях.

5. Гравитационная

Гравитациóнная энéргия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением.
Гравитациóнно-свя́занная систéма — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя).

Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии, постоянна. Для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.

Гравитационная энергия играет очень важную роль на заключительных этапах эволюции звёзд, при их превращении в нейтронные звёзды и сверхновые.

6. Вакуума

Нулевы́е колебáния — флуктуации квантовой системы в основном состоянии, наинизшем по энергии, обязанные своим существованием принципу неопределённости.

Впервые были обнаружены при квантовании гармонических осцилляторов, и обычно термин используется по отношению к системам, представимым как их совокупность, например, к свободным квантовым полям. Различают нулевые колебания вакуума и нулевые колебания атомов конденсированной среды, устанавливающиеся после «выморожения» нормальных тепловых колебаний кристаллической решётки. Таким образом, энергия нулевых колебаний есть не что иное, как энергия основного состояния системы

Гипотетические виды энергии:

7.Тёмная

Пспомном о теории ускоряющейся  Вселенной, прежде, чем будем говорить о Темной Энергии.

Ускоряющаяся Вселенная
Ускорение расширения Вселенной — обнаруженное в конце 1990-х годов уменьшение блеска экстремально удалённых «стандартных свечей» (сверхновых типа Ia), интерпретированное как ускорение расширения Вселенной. Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удалённых галактик прямо пропорциональна расстоянию до этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако, само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

И снова о Тёмной эне́ргии

N.B. Не следует путать с темной материей.

Темная энергия. (англ. dark energy) в космологии — гипотетический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной для объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением.

Существует три варианта объяснения сущности тёмной энергии:

тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);

Тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

тёмная энергия есть модифицированная гравитация на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.

По состоянию на 2020 год надёжные наблюдательные данные, такие как измерения реликтового излучения, подтверждают существование тёмной энергии, Модель Лямбда-CDM принимается в космологии как стандартная.

Окончательный выбор между вариантами требует очень длительных и высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит из тёмной энергии на 68,3 % и тёмной материи на 26,8 %.

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов.

 взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика (порядка 10−29 г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

***

Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (от названия греческой буквы \Lambda , используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности)[7]. Введение космологической константы в стандартную космологическую модель, основанную на метрике Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

***

P.S.  В статье были использованы фрагменты Wiki и великолепной статьи Сергея Сазанова в "Space Review",  с одноименным названием.

P.P.S. Прекрасное Далеко, не будь ко мне жестоко: https://author.today/work/160794