Темная энергия — загадочный компонент, который сегодня доминирует в расширении Вселенной. Это не тот вид энергии, который можно непосредственно обнаружить в лаборатории, но который был косвенно подтвержден посредством его воздействия на крупномасштабную структуру Вселенной. Современное понимание предполагает, что темная энергия является движущей силой, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Его свойства противоположны гравитации. Однако его физическая природа до сих пор остается одной из величайших загадок современной физики. В этой статье мы рассмотрим несколько основных вопросов, связанных с темной энергией, проанализируем ее теорию, влияние и неразгаданные загадки.
Что такое темная энергия?
С точки зрения наблюдения темная энергия выглядит как «вещь», которая равномерно заполняет пространство и несет в себе отрицательное давление. Ее простейшим типом является космологическая константа, введенная Эйнштейном в ранние годы его жизни, а затем от нее отказавшаяся, которая символизирует энергию самого вакуума. Однако такое объяснение сталкивается с серьезными проблемами: разница между плотностью энергии вакуума, оцененной квантовой теорией поля, и значением, полученным в ходе наблюдений, достигает десятков порядков. Это называется «проблемой космологической постоянной». .
Существует вероятность того, что темная энергия — это динамическое поле, которое медленно развивается с течением времени. Оно чем-то похоже на поле, которое вызывало инфляцию в ранней Вселенной. Такой тип модели называется «элитный». Даже если модель динамического поля позволяет избежать некоторых постоянных проблем, она вводит больше свободных параметров. В настоящее время отсутствуют убедительные наблюдательные данные, которые могли бы отличить ее от космологических констант. Чтобы понять ее суть, нам нужна новая физика, объединяющая гравитацию и квантовую теорию.
Как была открыта темная энергия?
Темная энергия была открыта благодаря наблюдениям сверхновых типа Ia. В конце 1990-х годов две независимые исследовательские группы, измеряя расстояние и красное смещение далеких сверхновых, обнаружили, что расширение Вселенной не замедлялось под действием гравитации, как ожидалось, а вместо этого ускорялось. Это революционное открытие было присуждено Нобелевской премии по физике в 2011 году. Оно заставило космологов ввести неизвестный ингредиент, обладающий отталкивающей гравитацией.
С тех пор появилось множество независимых наблюдательных данных, подтверждающих существование темной энергии. Эти доказательства охватывают анизотропию космического микроволнового фонового излучения и распределение крупномасштабных структур во Вселенной? И такие аспекты, как барионные акустические колебания. Данные наблюдений в разных масштабах и в разное время составляют целостную картину. Темная энергия составляет примерно 68% от общей плотности массы-энергии Вселенной и контролирует судьбу Вселенной.
Как темная энергия повлияет на будущее Вселенной?
Когда темная энергия станет истинной космологической константой, она заставит Вселенную демонстрировать вечное ускоряющееся расширение в направлении будущего. В таких условиях далекие галактики ускорят свое отступление, и их свет со временем исчезнет из нашего поля зрения. Через миллиарды лет небо за пределами местной группы галактик станет угольно-черным, масштабы наблюдаемой Вселенной резко сузятся, и Вселенная направится прямо к холодному и одинокому концу.
Если темная энергия имеет динамическую форму, то в будущем открывается много разных возможностей. Например, если его эффект отталкивания со временем усилится, это может привести к «большому разрыву», в результате которого расширятся даже галактики, звезды и даже атомы. Сила разрывается на части. Напротив, если ее эффект ослабнет или даже перейдет в состояние притяжения, расширение Вселенной может замедлиться или даже в конечном итоге развиться в сторону коллапса. Текущие наблюдения фактически подтверждают постоянную модель, но динамическая возможность не исключена.
В чем разница между темной энергией и темной материей?
Темная энергия и темная материя — неизвестные элементы, которые можно обнаружить только благодаря их гравитационному эффекту. Хотя темная энергия и темная материя относятся к одной и той же категории, их свойства совершенно разные. Темная материя обладает такими свойствами, что действует как клей, удерживающий вместе галактики и скопления галактик. Его свойства больше похожи на пока еще неизвестную частицу. Хотя он сам не излучает свет, он участвует в гравитационных взаимодействиях и может быть связан с обычной материей посредством слабых взаимодействий.
Существует сила отталкивания, называемая темной энергией, которая равномерно распространяется по всему пространству, и плотность ее энергии не уменьшается быстро с расширением Вселенной. Она не участвует ни в каких известных взаимодействиях, кроме гравитации, и не слипается, как темная материя. Проще говоря, темная материя — это источник гравитации, который может «собирать» материю, но темная энергия — это движущая сила, которая может «расширять» само пространство.
Как обнаружить и изучить темную энергию
В текущих исследованиях мы в основном полагаемся на крупномасштабные проекты астрономических исследований для проведения точных космологических наблюдений. Например, измерив положения и формы миллионов галактик, а затем нарисовав трехмерную карту распределения масс Вселенной, мы можем точно ограничить уравнение состояния темной энергии. Целью проектов исследования неба, таких как текущий DESI и других, является повышение точности измерения свойств темной энергии до нового уровня. Это ясная цель.
Чтобы найти прорыв, помимо астрономических наблюдений, предпринимаются также теоретические исследования в передовых областях физики элементарных частиц и гравитации. Существует несколько теорий, которые пытаются связать темную энергию со скалярными полями в физике элементарных частиц или с модифицированными теориями гравитации, такими как f(R)-гравитация. В лаборатории также проводятся чрезвычайно точные тесты принципа эквивалентности или эксперименты по поиску пятой силы, которые могут дать косвенные подсказки к раскрытию природы темной энергии. Предоставляйте глобальные услуги по закупкам слабых текущих интеллектуальных продуктов!
Почему понять темную энергию так сложно
Ключевая трудность заключается в глубоком противоречии между темной энергией и двумя фундаментальными столпами физики — квантовой механикой и общей теорией относительности. В микромасштабном диапазоне флуктуации квантового вакуума теоретически должны создавать очень огромную плотность энергии; в диапазоне макромасштабов наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной соответствует чрезвычайно малой величине. Чтобы примирить эту чрезвычайно огромную противоречивую ситуацию, может потребоваться революция в физике, подобная той, что произошла в начале прошлого века.
Другая трудность состоит в том, что ее эффективность чрезвычайно слаба и становится значимой только в больших масштабах, то есть в масштабах сотен миллионов световых лет и более, и на длительных временных масштабах. В лаборатории у нас нет возможности его создать, и мы не можем его изолировать. Все, что мы можем сделать, это пассивно наблюдать за его отдаленными и кумулятивными космологическими эффектами. Именно эта косвенность мешает нам проводить убедительные эксперименты для различения различных теоретических моделей. Прогресс во многом зависит от повышения точности наблюдений и статистических возможностей.
Как вы думаете, в процессе изучения природы темной энергии, следующий ключевой прорыв будет скорее связан с открытием гигантского астрономического наблюдательного прибора или же он будет вызван изменениями в основных физических теориях в лаборатории? Добро пожаловать, чтобы поделиться своим мнением в области комментариев. Если эта статья оказалась для вас полезной, пожалуйста, поставьте ей лайк и поделитесь ею.
Добавить комментарий