Главная страница
qrcode

Альманах - Космос. C I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей


Скачать 11.93 Mb.
НазваниеC I e n t I f I c a m e r I c a n the в мире науkи moscow 2006 в мирен ау к ик осмос альманахраздел 1 Вселенная Раздел 2 Галактики Раздел 3 Звезды Раздел 4 Планеты москва редакция журнала в мире науки представляет читателям сборник статей
АнкорАльманах - Космос.pdf
Дата14.12.2017
Размер11.93 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаAlmanakh_-_Kosmos.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипСборник статей
#51569
страница10 из 36
Каталогid50384802

С этим файлом связано 45 файл(ов). Среди них: и ещё 35 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   36
А ль м ан ах КОСМОС КОСМИЧЕСКАЯ ЗАГАДКА
миллиарды лет назад, замедление должно приводить к нарушению линейности соотношения Хаб(
бла. Наиболее далекие галактики должны удаляться быстрее, чем предсказывает его закон.
Сложность, однако, представляют точные измерения расстояний до очень далеких вселенных и их скоростей.
Данные вычисления основываются на поиске эталонных свечей – объектов известной собственной светимости, достаточно ярких, чтобы их можно было видеть через всю Вселенную. Прорыв наступил в х гг. в результате калибровки сверхновых типа Ia, которые считаются взрывами белых карликов с массами около массы Солнца. Для измерения замедления расширения Вселенной были созданы Космологический проект Сверхновая во главе с Солом Перлмуте(
ром (Saul Perlmutter) в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Берклии Группа поиска сверхновых с большими z, возглавляемая Брайаном
Шмидтом (Brian Schmidt) в обсерваториях Ма(
унт-Стромло и Сайдинг-Спринг. Вначале г.
обе группы сделали одно и тоже открытие последние 5 млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, а ускорялось. Выяснилось, что до нынешней была фаза замедления см. От замедления к ускорению, В мире науки, № 5, Однако на существование некой неизвестной формы энергии, обусловливающей расширение
Вселенной, указывают не только данные наблюдений сверхновых. Сегодня самую точную картину ранней Вселенной дали измерения космического микроволнового фона (КМФ) – остаточного излучения Большого взрыва, которое позволяет выявить свойства Вселенной в возрасте около 400 тыс. лет.
К 2000 г. измерения угловых размеров неоднородностей КМФ достигли точности, которая позволила ученым установить, что геометрия Вселенной является плоской. Открытие было подтверждено данными космического аппарата WMAP (Уилкин(
соновский зонд анизотропии микроволн) и другими экспериментами, проведенными в 2003 г.
Чтобы геометрия Вселенной была пространственно плоской, средняя плотность материи в ней должна быть равна критической. Однако многочисленные измерения всех ее форм, включая гипотетическое холодное темное вещество – море медленных частиц, которые не испускают свет, но обладают гравитационным притяжением, – показали, что плотность материи составляет лишь ВСЕЛЕННАЯ bbЛоренс Кросс, Майкл Тернер
МОДЕЛИ КОСМОСА РАНЬШЕ И ТЕПЕРЬ
Космологическая модель Эйнштейна описывает конечную в пространстве, но бесконечную во времени вселенную. Ее размер постоянен, а пространственные границы отсутствуют. Она искривляется, замыкаясь подобно окружности слева. После того как было обнаружено расширение Вселенной, космологи сосредоточились на модели бесконечной вселенной, расширение которой постоянно замедляется под действием сил тяготения все iiредине)i. В х гг. теоретики доработали модель, дополнив ее начальной фазой очень быстрого расширения (инфляцией. Наблюдения последних шести лет показали, что около 5 млрд. лет назад расширение Вселенной начало ускоряться справа. Что ждет Вселенную в конечном итоге – продолжение расширения, коллапс или сверхбыстрое расширение, называемое Большим разлетом, – зависит от природы таинственной темной энергии, ускоряющей расширение Вселенной
Космологии специалисты по физике элементарных частиц никогда еще небыли столь озадачены. Почему расширение Вселенной ускоряется Если бросить камень вертикально вверх,
то под действием земного притяжения он будет удаляться от планеты с замедлением, а нес ускорением. Точно также отдаленные галактики, разбросанные Большим взрывом в разные стороны,
должны взаимно притягиваться и замедляться.
Однако они удаляются друг от друга с ускорением, виновницей которого принято считать таинственную темную энергию. К сожалению, пока неизвестно, что она из себя представляет. Ясно одно на самых больших наблюдаемых расстояниях гравитация ведет себя весьма необычно, превращаясь в отталкивающую силу.
Согласно законам физики тяготение порождается материей и энергией. Поэтому ученые приписывают странный вид гравитации странному виду материи или энергии. Таково обоснование существования темной энергии. Но, возможно,
следует изменить сами законы. В истории науки уже был подобный прецедент закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном в XVII в, столкнулся с рядом концептуальных и экспериментальных ограничений ив г. уступил место общей теории относительности Эйнштейна
(ОТО). У последней тоже есть свои трудности,
в частности, связанные с ее применением при чрезвычайно малых расстояниях, с которыми мы сталкиваемся в квантовой механике. Также как ньютоновская физика стала частным случаем
ОТО, теория Эйнштейна со временем превратится в частный случай квантовой теории гравитации (КТГ).
Физики уже предложили несколько возможных подходов к КТГ, наиболее заметным из которых является теория струн. Когда гравитация действует на микроскопических расстояниях – например, в центре черной дыры, где огромная масса сжата в субатомный объем, – в игру вступают причудливые квантовые свойства материи, и теория струн описывает, как при этом изменяется закон тяготения.
Специалисты по теории струн обычно пренебрегают квантовомеханическими эффектами, когда речь заходит о больших расстояниях. Однако последние космологические открытия заставили ученых пересмотреть некоторые положения. Четыре года назад мы задались вопросом не поможет ли теория струн описать законы тяготения не только при микроскопических, но и при самых больших масштабах Ключом к успеху могли бы стать предусмотренные в теории струн дополнительные пространственные измерения, в которых могут двигаться частицы.
Раньше считалось, что мы не в состоянии двигаться в дополнительных измерениях и наблюдать их из(за того, что они слишком малы. Но новейшие научные достижения показывают, что некоторые из них (или даже все) могут быть бесконечными и скрытыми от нас не потому, что их размеры невелики, а потому что частицы, составляющие наши тела, не могут покинуть пределы трех измерений. Только гравитоны, передающие гравитационное взаимодействие, способны вырваться из этой ловушки, в результате чего закон гравитации изменяется.
Квинтэссенция из ничего
Обнаружив космическое ускорение, астрономы поначалу решили приписать его влиянию так называемой космологической постоянной.
Этот пресловутый параметр, введенный и затем отвергнутый Эйнштейном, выражает энергию, свойственную пространству как таковому.
Совершенно пустой объем пространства, лишенный материи, должен содержать энергию,
эквивалентную примерно 10
–26
кг/м
3
. Хотя космологическая постоянная удачно согласуется со всеми известными данными, многие физики считают ее неприемлемой из(за необъяснимой малости. Действительно, она настолько ничтожна, что просто не могла играть заметной роли на протяжении большей части космической истории, включая ранний период формирования
Вселенной. Кроме того, космологическая постоянная слишком мала по сравнению с энергией
А ль м ан ах КОСМОС Еще одна особенность теории суперструн – по(
стулирование существования большего числа пространственных измерений. К трем обычным измерениям добавляются еще 6 или 7 скрытых, и появляется еще одно объяснение ускорения расширения Вселенной. Георгий Двали (Georgi из Нью-Йоркского университета и его коллеги предположили, что влияние этих дополнительных измерений может проявляться в виде дополнительного члена в эйнштейновском уравнении поля, который и может обусловливать ускорение расширения Вселенной. Ранее считалось, что различия между общей теорией относительности и последующими теориями проявляются в условиях малых, а не космических расстоянияй. Подход Двали противоречит этому мнению. Возможно, что объяснение ускорения расширения Вселенной никак не будет связано с тем,
что космологический член так мал, или с обобщением теории Эйнштейна для включения в нее квантовой механики. Общая теория относительности утверждает, что гравитация объекта пропорциональна сумме плотности его энергии и утроенного внутреннего давления. Любой форме энергии с отрицательным внутренним давлением соответствует расталкивающая гравитация. Поэтому ускорение расширения Вселенной может быть вызвано просто существованием необычного вида энергии, называемого темной энергией,
которая не предсказывается ни квантовой механикой, ни теорией суперструн.
Геометрия и конечная судьба Вселенной
Как бы тони было, факт ускоренного расширения Вселенной навсегда изменил наши представления о будущем. Мы больше не связываем конечную судьбу мира с геометрией. Плоская вселенная, в которой доминирует положительная энергия вакуума,
будет расширяться вечно и со все увеличивающейся скоростью, а вселенная, в которой преобладает отрицательная энергия вакуума, в конце концов коллапсирует. Если же темная энергия вообще не является энергией вакуума, ее влияние на расширение Вселенной остается неясным. Возможно,
что в отличие от космологической постоянной плотность темной энергии может со временем расти или уменьшаться. Если она будет увеличиваться, расширение Вселенной будет ускоряться, разрывая на части сначала галактики, потом планетные системы звезд, затем планеты ив конце концов атомы. Если же плотность темной энергии уменьшится, ускорение расширения может прекратиться. А если эта плотность станет отрицательной, Вселенная рано или поздно коллапси(
рует. Без знания деталей происхождения энергии,
вызывающей расширение Вселенной, никакая совокупность космологических наблюдений не позволит определить ее конечную судьбу.
Будущее нашей Вселенной будет определять физика пустого пространства. Потребуются новые измерения расширения Вселенной и космических структур, которые укажут теоретикам направления работы. Планируются эксперименты, в том числе с использованием космического телескопа, предназначенного для наблюдения далеких сверхновых, и наземных телескопов для исследования темной энергии, а также ее влияния на крупномасштабные структуры.
Туман неизвестности привел Эйнштейна к тому, что он, пытаясь построить стационарную маховскую Вселенную, стал рассматривать космологический член. Сегодня неразбериха в отношении ускорения расширения Вселенной побуждает физиков использовать всевозможные пути,
чтобы понять природу энергии, ускоряющей расширение. Утешает лишь факт, что в итоге это может привести исследователей к объединению сил гравитации с другими силами природы, что и было самой заветной мечтой Эйнштейна. В мире науки, №12, ВСЕЛЕННАЯ bbЛоренс Кросс, Майкл Тернер

ИСТОРИЯ
90 лет назад Эйнштейн впервые ввел космологическую постоянную, затем она была отвергнута, модифицирована и воскрешена.
ФЕВРАЛЬ 1917 г. Эйнштейн ввел космологический член для компенсации гравитационного притяжения, что позволило ему построить теоретическую модель конечной стационарной Вселенной.
МАРТ 1917 г. Голландский космолог Виллем де Ситтер предложил модель с космологическим членом. Позже было показано,
что ей соответствует ускоряющееся расширение Вселенной г. Советский физик Александр Фридман построил модели расширяющейся и сжимающейся вселенных без использования космологической постоянной г. Американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил,
что Вселенная расширяется. Двумя годами позже Эйнштейн отказался от космологического члена, назвав его
«теоретически неудовлетворительным г. Советский физик Яков Борисович Зельдович оценил плотность энергии квантового вакуума и нашел, что ей соответствует колоссальный космологический член г. Две группы охотников за сверхновыми, возглавляемые Солом Перлмутером и Брайаном Шмидтом, сообщили, что расширение Вселенной ускоряется. Этот эффект мог быть описан модифицированным космологическим членом. После 1998 г. были получены более весомые подтверждения ускорения расширения Вселен*
ной.
КТО НАРУШИЛ ЗАКОН ТЯГОТЕНИЯ
Георгий Двали
Возможно, ускорение расширения Вселенной вызвано не темной энергией, а неизбежной утечкой гравитации
обусловленную ими силу можно измерить, их нельзя наблюдать как независимые частицы.
Солнце удерживает Землю на орбите, потому что испускает виртуальные гравитоны, которые наша планета поглощает. Реальные или непосредственно наблюдаемые гравитоны соответствуют гравитационным волнам, испускаемым при определенных обстоятельствах.
Согласно теории струн, гравитоны, как и все частицы, представляют собой колебания крошечных струн. Однако электрон, протон и фотон рассматриваются как колебания струн с разомкнутыми концами, подобных струнам скрипки, а гравитон – как колебания замкнутой петли, подобной резиновому кольцу. Йозеф Полчински
(Joseph Polchinski) из Института теоретической физики в Санта(Барбаре показал, что концы открытых струн должны быть зафиксированы в мембране. Если попробовать вытянуть открытую струну из мембраны, она станет длиннее, но ее концы останутся закрепленными. Напротив,
замкнутые струны типа гравитонов ник чему не привязаны и перемещаются во всем мерном пространстве.
Безусловно, гравитоны не обладают абсолютной свободой, иначе классический закон тяготения
А ль м ан ах КОСМОС КТО НАРУШИЛ ЗАКОН ТЯГОТЕНИЯ
физических процессов, которые могли бы вызвать ее появление.
Пытаясь обойти эту проблему, некоторые физики предположили, что ускорение вызвано не самим пространством, а энергетическим полем,
заполняющим его, словно легкий туман. Потенциальная энергия некоторых пространственно однородных полей ведет себя в значительной степени как космологическая постоянная. Одно такое поле, известное как инфлатон, вызвало, как полагают, период ускоренного расширения (инфляции) на ранней стадии развития Вселенной.
Вероятно, возникло другое похожее поле, спровоцировавшее очередную вселенскую инфляцию.
Его назвали квинтэссенцией, те. пятым элементом наряду с землей, водой, воздухом и огнем.
Как и космологическая постоянная, плотность энергии квинтэссенции должна быть очень маленькой. Впрочем, динамической величине легче достичь такого ничтожного значения, чем статической константе.
И космологическую постоянную, и квинтэссенцию относят к темной энергии. Других объяснений пока нет, поэтому физики всерьез задумываются о дополнительных измерениях, само наличие которых непременно повлияло бы на поведение гравитации. Согласно закону всемирного тяготения и сточки зрения ОТО сила гравитационного взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами. Еще в XIX в. Карл Фридрих Гаусс установил, что величина тяготения определяется плотностью линий гравитационного поля, которые при увеличении расстояния распределяются на все большую ограничивающую поверхность. В трехмерном пространстве граница двумерная, и ее площадь увеличивается как квадрат расстояния.
Если бы пространство было четырехмерным,
то граница была бы трехмерной, те. объемом, величина которого пропорциональна кубу расстояния. Но тогда плотность силовых линий была бы связана с расстоянием обратной кубической зависимостью и гравитация была бы слабее, чем в трехмерном мире. В космологических масштабах такое ослабление тяготения может привести к ускорению расширения Вселенной.
Почему мы не замечали, что гравитация может свободно распространяться в дополнительное пространство В связи с чем обычный трехмерный закон обратных квадратов так точно объясняет движение ракет и планет Традиционный для теории струн ответ таков дополнительные измерения компактны – свернуты в крошечные окружности. Долгое время считалось, что их размер сопоставим с так называемой длиной Планка
(около м, нов последних теоретических и экспериментальных работах показано, что он может достигать 0,2 мм. Влияние свернутых измерений на гравитацию проявляется только на малых расстояниях, сопоставимых или меньших,
чем их радиус. На больших дистанциях действует традиционный закон тяготения.
Пожизненное заключение
Идея о существовании свернутых измерений не лишена недостатков. Почему некоторые измерения (дополнительные) туго свернуты, тогда как другие (обычные) простираются в бесконечность Другими словами, под влиянием материи и энергии свернутые измерения должны были бы распрямляться, если что(то не стабилизирует их.
Не исключено, что стягиванию или расширению измерений препятствуют предсказываемые теорией струн поля, похожие на магнитные. Другое объяснение появилось в 1999 г возможно, все измерения, в том числе дополнительные, бесконечны.
Наблюдаемая Вселенная – трехмерная поверхность, или мембрана, в мире с большим числом измерений. Обычная материя может существовать только в пределах мембраны, но некоторые силы,
такие как тяготение, могут ускользать из нее.
Гравитация обладает такой способностью, достойной Гудини, потому что фундаментально отличается от других сил. Согласно квантовой теории поля, силу тяготения переносят особые частицы – гравитоны. Гравитационное притяжение обусловлено их потоком между двумя телами,
так же как сила электрического или магнитного взаимодействия обусловлена потоком фотонов между двумя заряженными частицами. Когда тяготение статично, гравитоны виртуальны хотя
62
В СЕЛЕН НА ЯГ е оргий Два ли ИЗВЕСТНЫЙ ПЛАКАТ художника Джерри Муни (Gerry Moony) гласит Гравитация – непросто хорошая идея, а закон. Но все же этот закон довольно гибок. Например, он зависит от числа пространственных измерений. Гравитация ослабевает с расстоянием, потому что по мере удаления от своего источника она распределяется по все большей границе (на диаграммах показана красным
).
ОТ ФЛАТЛАНДИИ ДО ЧЕТЫРЕХ ИЗМЕРЕНИЙ
ДВА ИЗМЕРЕНИЯ:
Граница одномерная линия, которая увеличивается прямо пропорционально расстоянию. В результате сила тяготения убывает обратно пропорционально расстоянию.
ЧЕТЫРЕ ИЗМЕРЕНИЯ:
Этот случай трудно изобразить, но к нему применимы те же основные правила. Граница оказывается трехмерной, а тяготение убывает пропорционально кубу расстояния. Объекты еще легче, чем в трех измерениях.
Вес стокилограммового человека на поверхности
Земли: 10 45
Н
Вес:
10
–39
Н
Вес:
10 3
Н
y
Сила тяготения
Расстояние
Пространство:
двумерное трехмерное четырехмерное
z
z
w
x
x
y
ТРИ ИЗМЕРЕНИЯ:
Граница становится двумерной, и гравитация ослабляется обратно пропорционально квадрату расстояния. Объекты на заданном расстоянии легче, чем в двух измерениях.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом