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
страница11 из 36
Каталогid50384802

С этим файлом связано 45 файл(ов). Среди них: и ещё 35 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   36
ОБЗОР:
УТЕЧКА ГРАВИТАЦИИ Обычно астрономы связывают ускоренное расширение Вселенной с влиянием темной энергии. Возможно,
дело не в ней, а в законах физики, которые перестают действовать на сверхдальних дистанциях Новый закон тяготения можно вывести в рамках теории струн. Обычно ее рассматривают как теорию, посвященную самым мельчайшим объектам, однако она позволяет по*новому взглянуть и на некоторые макроскопические явления В частности, теория струн предсказывает, что во Вселенной есть дополнительные измерения, в которые ускользает гравитация. Утечка тяготения может искривить пространственно*временной континуум и вызвать ускорение расширения Вселенной
на мембране – эффект, который называют локализацией гравитации.
Сценарий Рэндалл–Сандрама концептуально отличается от идеи компактных (свернутых) измерений, но дает почти тот же самый результат.
Обе модели изменяют закон тяготения для малых расстояний, ноне затрагивают его в случае больших, так что ни одна из них не имеет отношения к проблеме космического ускорения.
Физика на мембране
Существует третий подход, подразумевающий нарушение стандартных законов гравитации в космологических масштабах и объясняющий ускорение без привлечения темной энергии. В 2000 г. мы вместе с Григорием Габададзе (Gre(
gory Gabadadze) и Массимо Поррати (Massimo
Porrati) из Нью(Йоркского университета предположили, что дополнительные измерения ничем не отличаются от обычных, наблюдаемых нами трех измерений. Они не являются ни свернутыми, ни сильно изогнутыми.
Даже в таком случае гравитоны не всегда могут двигаться, куда им заблагорассудится. Испущенные звездами и другими объектами, расположенными на мембране, они могут уходить в дополнительные измерения только после того, как пройдут некоторое критическое расстояние. Гравитоны ведут себя как звук в металлическом листе, удар по которому создает звуковую волну,
распространяющуюся вдоль его поверхности. Но звук распространяется не только в плоскости:
часть энергии уходит в окружающий воздух.
Вблизи от места удара потеря энергии незначительна, однако по мере удаления от него она становится заметной. В случае гравитонов такое рассеяние оказывает глубокое влияние насилу тяготения между объектами, удаленными на расстояние больше критического. Утечка открывает виртуальным гравитонам множество многомерных обходных маршрутов, что приводит к изменению закона гравитации. Просачивающиеся наружу реальные гравитоны теряются навсегда для нас, привязанных к мембране, они просто исчезают.
В условиях маленьких масштабов дополнительные измерения проявляются также, как в гипотезе свертывания и сценарии Рэндалл–Сандрама.
На средних дистанциях, больших, чем размер струн, но меньших, чем расстояние утечки, гравитоны ведут себя как трехмерные и полностью подчиняются классическому закону тяготения.
Главным действующим лицом является мембрана – полноценный материальный объект, в котором гравитация распространяется не так, как в окружающем пространстве. Обычные частицы, такие как электроны и протоны, могут существовать только на мембране. Даже на вид пустая, она содержит бурлящую массу виртуальных электронов, протонов и других частиц, непрерывно создаваемых и разрушаемых квантовыми флуктуациями. Эти частицы создают гравитацию и реагируют на нее. Окружающее пространство,
напротив, действительно пусто, и гравитоны свободно пролетают через него, взаимодействуя только друг с другом. Хорошая аналогия – диэлектрические материалы, такие как пластмасса, керамика или вода.
Материал в отличие от вакуума содержит электрически заряженные частицы и может реагировать на электрическое поле. Хотя заряженные частицы не могут течь через диэлектрик как через проводник, они все же способны перераспределяться в его пределах. Если к такому материалу прикладывается электрическое поле, он становится электрически поляризованным. В воде,
К СОЖАЛЕНИЮ, даже если дополнительные измерения существуют, люди никогда не смогут попасть в них. Частицы в наших телах – электроны, протоны, нейтроны – следует рассматривать как колебания струн с открытыми концами, которые закреплены в мембране, образующей нашу
Вселенную. Гравитоны (кванты тяготения) не имеют концов и поэтому не привязаны к ней.
ЖЕСТКИЕ СВЯЗИ МЕМБРАНА ль м ан ах КОСМОС КТО НАРУШИЛ ЗАКОН ТЯГОТЕНИЯ
был бы другим. Авторы гипотезы бесконечных измерений Лайза Рэндалл (Lisa Randall) из Гарвардского университета и Рэман Сандрам
(Raman Sundrum) из Университета Джонса Гоп(
кинса предположили, что гравитоны ограничены в перемещениях потому, что дополнительные измерения, в отличие от трех обычных, сильно искривлены и образуют впадину с крутыми стенками, из которой гравитонам трудно ускольз(
нуть.
Дело в том, что дополнительные измерения так сильно изогнуты, что их эффективный объем конечен, несмотря на их безграничную протяженность. Как же бесконечное пространство может иметь конечный объем Вообразите, что вы наливаете воду в бездонный стакан, радиус которого уменьшается обратно пропорционально глубине. Чтобы наполнить его, достаточно конечного количества жидкости. Из(за кривизны стенок объем стакана сконцентрирован в его верхней части. Нечто похожее происходит в сценарии
Рэндалл–Сандрама: объем дополнительного пространства концентрируется вблизи от нашей мембраны. Поэтому гравитоны вынуждены проводить большую часть времени около мембраны.
Вероятность обнаружения гравитона быстро убывает с увеличением расстояния. Иными словами, его волновая функция достигает максимума
64
В СЕЛЕН НА ЯГ е оргий Два ли bАЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА и его современников, в особенности Теодора Калуцу (Theodor Kaluza) и Оскара
Клейна (Oscar Klein), привела в восхищение идея о существовании скрытых измерений, которая нашла свое воплощение в теории струн. Для ясности представьте себе нашу трехмерную Вселенную как плоскую сетку. Через каждую ее точку проходит линия, представляющая одно из дополнительных измерений.
ТРИ СПОСОБА ВВЕДЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
ТРАДИЦИОННАЯ ТЕОРИЯ СТРУН Долгое время считалось, что дополнительные измерения конечны и имеют вид окружностей суб*субатомного размера. Перемещаясь по такому измерению, крошечное существо в конечном счете возвратилось бык отправной точке.
МОДЕЛЬ БЕСКОНЕЧНОГО ОБЪЕМА Автор статьи и его коллеги предположили, что дополнительные измерения ничем не отличаются от трех обычных они бесконечны и линейны. МОДЕЛЬ РЭНДАЛЛLСАНДРАМА: Недавно специалисты по теории струн предположили, что дополнительные измерения бесконечны по длине, но сильно искривлены,
так что их объем сконцентрирован вокруг нашей
Вселенной.
Круговое дополнительное измерение
Гиперболическое дополнительное измерение Линейное дополнительное измерение
Гравитон
Электрон
Мембрана
вивалент диэлектрика. Все происходит так, как если бы мембрана была заполнена виртуальными частицами с положительной и отрицательной энергией. Если к мембране прикладывается внешнее гравитационное поле, она становится гравитационно поляризованной. Частицы с положительной и отрицательной энергией слегка смещаются друг относительно друга. Гравитон,
воплощающий осциллирующее гравитационное поле, может поляризовать мембрану и нейтрализоваться в ней, если его длина волны оказывается в нужном диапазоне, который, по нашим расчетам, лежит между 0,1 мм (или меньше, в зависимости от числа дополнительных измерений) и приблизительно 10 млрд. световых лет.
Исчезновение угрожает только гравитонам,
перемещающимся в мембрану или из нее. Частицы гравитации, подобно фотонам, являются поперечными волнами и колеблются перпендикулярно к направлению распространения. Гравитон, входящий в мембрану или выходящий из нее, толкает частицы вдоль мембраны, те. в направлении, в котором они могут двигаться. Поэтому такие гравитоны могут поляризовать мембрану ив свою очередь, нейтрализоваться в ней.
А гравитоны, перемещающиеся вдоль мембраны, пытаются вытолкнуть из нее частицы в запрещенном для них направлении. Такие гравитоны не поляризуют мембрану и двигаются по ней, не встречая сопротивления. На самом деле большинство гравитонов оказываются между двумя крайностями они проносятся через пространство под косым углом к мембране и покрывают миллиарды световых лет, прежде чем исчезнуть в ней.
Искривление мембраны
Таким образом, мембрана сама экранирует себя от дополнительных измерений. Если гравитон промежуточной длины волны пытается ускользнуть из мембраны или проникнуть в нее, частицы в ней перераспределяются и препятствуют этому. В результате гравитоны движутся вдоль мембраны, и тяготение следует закону обратных квадратов. Вместе стем через дополнительные измерения могут свободно проходить длинноволновые гравитоны, роль которых несущественна на малых расстояниях. Однако на дистанциях,
сопоставимых сих длиной волны, они доминируют и ослабляют способность мембраны изолировать себя от дополнительных измерений. Поэтому сила тяготения начинает ослабляться пропорционально третьей (если только одно из дополнительных измерений бесконечно, четвертой (если два измерения бесконечны) или еще большей степени расстояния.
Отказавшись от предположения о существовании темной энергии, мы вместе с Габададзе и Седриком Дефейе (Cedric Deffayet) из Парижского института астрофизики пришли к выводу,
что дополнительные измерения не только ослабляют тяготение, но и заставляют космическое расширение ускоряться. В шутку можно сказать, что, ослабляя гравитационный клей, препятствующий расширению, рассеяние гравитонов уменьшает замедление настолько, что оно становится отрицательными превращается
А ль м ан ах КОСМОС КТО НАРУШИЛ ЗАКОН ТЯГОТЕНИЯ
например, молекулы поворачиваются так, чтобы их положительные концы (пары атомов водорода)
были направлены в одну сторону, а отрицательные (атомы кислорода) – в другую. В хлориде натрия положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора немного смещаются в разные стороны.
Перераспределенные заряды создают собственное электрическое поле, которое частично компенсирует внешнее. Диэлектрик может таким образом влиять на распространение фотонов,
представляющих собой колебания электрического и магнитного полей. Фотоны, проникающие в диэлектрик, поляризуют его ив свою очередь,
частично нейтрализуются. Такой эффект наблюдается в том случае, когда длина волны фотонов лежит в определенном диапазоне длинноволновые фотоны слишком слабы, чтобы поляризовать диэлектрика коротковолновые колеблются чересчур быстро, и заряженные частицы не успевают отреагировать. Поэтому вода прозрачна для радиоволн (имеющих большую длину волны) и для видимого света (малая длина волны, но непрозрачна для микроволн (промежуточная длина волны. На этом основана работа микроволновых печей.
Подобным образом квантовые флуктуации превращают мембрану в гравитационный эк(
66
В СЕЛЕН НА ЯГ е оргий Два ли ГРАВИТОНЫ не могут свободно скитаться по дополнительным измерениям. Наша трехмерная Вселенная
(мембрана, показанная здесь как плоский лист) заполнена виртуальными частицами, которые непрерывно возникают и исчезают. Они появляются парами одна частица с положительной энергией (синяя, другая – с отрицательной (красная. Такие пары могут препятствовать входу или выходу гравитонов из мембраны. БЕЗ ГРАВИТОНОВ:

В отсутствие гравитонов виртуальные частицы распределены случайным образом и не создают никакой результирующей силы тяготения.
ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫЕ ГРАВИТОНЫ:
Когда гравитон входит в мембрану или выходит из нее, он выстраивает
(поляризует) виртуальные частицы.
Поляризованные частицы создают силу тяготения, которая направлена против движения гравитона.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ГРАВИТОНЫ:
Гравитон,
движущийся вдоль мембраны, никак не влияет на виртуальные частицы, потому что создаваемые им силы действуют перпендикулярно мембране.
Виртуальные частицы, в свою очередь, не препятствуют движению гравитона
Гравитон
Мембрана
ПОЛЯРИЗОВАННАЯ МЕМБРАНА
ЧАСТИЦЫ В НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ стремятся блокировать те гравитоны, импульс которых достаточно велик, чтобы вызвать ответную реакцию.
Гравитоны с малым импульсом (длинноволновые)
беспрепятственно входят и выходят из мембраны.
Солнце притягивает Землю, испуская виртуальные гравитоны. Их длина волны относительно невелика
(большой импульс, поэтому они не могут покинуть мембрану и ведут себя так, будто дополнительные измерения не существуют.
Две отдаленные галактики испускают длинноволновые гравитоны (низкий импульс, которые могут уходить в дополнительные измерения. Закон тяготения изменяется так, что сила взаимодействия между галактиками ослабевает.
Земля
Галактика
Гравитон,
заблокированный в мембране
Гравитон свободно входит в мембрану и выходит из нее
Солнце
Галактика
ГРАВИТАЦИЯ ДАЛЕКАЯ И БЛИЗКАЯ
в ускорение. Разумеется, все не так просто, ведь приходится учитывать, как утечка изменяет общую теорию относительности.
Основная идея теории Эйнштейна состоит в том, что тяготение представляет собой результат искривления пространства(времени, связанного с плотностью материи и энергии в нем.
Солнце притягивает Землю, изгибая вокруг себя пространство(время. Отсутствие какой(либо материи или энергии означает отсутствие деформации и, соответственно, гравитации. Однако в многомерной теории соотношение между искривлением и плотностью изменяется. Дополнительные измерения обусловливают появление в уравнениях поправочного члена, который придает кривизну даже пустой мембране. В результате утечка гравитонов создает в мембране напряжение, вводит в нее неустранимую деформацию, которая не зависит от плотности материи и энергии в пределах мембраны.
Со временем материя и энергия становятся более разреженными, искривление, которое они вызывают, уменьшается, и неустранимая деформация начинает играть все большую роль. Кривизна Вселенной приближается к постоянной величине. Тот же самый эффект наблюдался бы,
если Вселенная была бы заполнена субстанцией,
которая не становится более разреженной стечением времени. Поэтому неустранимое искривление мембраны действует также, как темная энергия, которая ускоряет космическое расшире(
ние.
Нарушители законов
В 2002 г. Тибо Дамур (Thibault Damour) и Ан(
тониос Папазоглу (Antonios Papazoglou) из Института фундаментальных научных исследований во Франции вместе с Яном Коганом (Ian
Kogan) из Оксфордского университета предположили, что существует особый вид гравитонов, которые в отличие от обычных обладают небольшой массой. Давно известно, что гравитоны с массой не подчиняются обратноквадра(
тической зависимости. Они нестабильны и постепенно распадаются, вызывая те же эффекты,
что и при утечке гравитации гравитоны, проходя огромные расстояния, постепенно исчезают, тяготение ослабляется, и космическое расширение ускоряется. Шон Кэррол (Sean Carroll),
Вайкрам Дуввури (Vikram Duvvuri), Майкл Тер(
нер (Michael Turner) из Чикагского университета и Марк Троден (Mark Trodden) из Сиракьюз(
ского университета модифицировали теорию
Эйнштейна для трех измерений, введя в уравнения поправочные члены, обратно пропорциональные кривизне пространства(времени. Они были бы пренебрежимо малы на ранней стадии развития Вселенной, но могли бы ускорить ее расширение в дальнейшем. Другие группы исследователей также пытались изменить закон тяготения, но их предложения не исключают потребности в темной энергии для объяснения ускорения.
Поскольку в сценариях с утечкой гравитации и с темной энергией переход от замедления к ускорению происходит совершенно по(разному,
выбрать одну из предложенных моделей помогут наблюдения. В частности, большие надежды возлагаются на более точное и детальное исследование сверхновых. Возможны и другие эмпирические проверки.
Гравитационная волна, как и электромагнитная, может иметь преимущественное направление колебаний. ОТО допускает существование только двух таких направлений, нов альтернативных теориях их может быть и больше, что должно сказываться на движении планет. Вместе с Андреем Грузиновым (Andrei Gruzinov) и Матиасом Залдариагой (Matias Zaldarriaga) из
Нью(Йоркского университета мы вычислили,
что утечка гравитонов могла бы вызвать медленную прецессию орбиты Луны. Пока Луна делает один оборот вокруг Земли, точка ее наибольшего сближения с нашей планетой должна сдвигаться примерно на одну триллионную градуса, те. приблизительно на полмиллиметра.
Такое смещение вскоре можно будет зарегистрировать в экспериментах по измерению расстояния до Луны, которое определяется с помощью лазерных лучей, отраженных от зеркал, оставленных на лунной поверхности американскими астронавтами. Сейчас погрешность лазерного дальномера составляет 1 см. Эрик Адельбергер
(Eric Adelberger) и его коллеги из Вашингтонского университета предлагают использовать более мощные лазеры, позволяющие повысить точность измерений враз. Наблюдения с космического аппарата помогли бы выявить такую же прецессию орбиты Марса.
Долгое время считалось, что теория струн касается только чрезвычайно малых объектов, и никакой эксперимент не сможет подтвердить или опровергнуть ее. Возможно, космическое ускорение поможет ученым проникнуть в дополнительные измерения, пока недоступные для нас, и связать наимельчайшее со сверхбольшим. Не исключено, что судьба Вселенной висит на струне».

(«В мире науки, №5, ВСЕЛЕН НА ЯГ е оргий Два ли
ГАЛАКТИКИ
II
II
Нас окружает неведомая Вселенная, в которой звезды составляют лишь 1% массы, а весь разреженный газ и другие формы обычного вещества – менее 5%. Мы говорим темное вещество и темная энергия, – на самом деле не понимая, что кроется за этими словами.
Дэвид Клайн ПОИСКИ ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА
Наблюдая и изучая особенности Млечного Пути, астрономы долгое время не могли понять общую структуру и историю нашей Галактики. Дог. ученые небыли уверены, что Галактика отдельный объект, один из миллиардов подобных.
К середине х гг. они наконец составили план
Галактики, представляющий собой величественный диск из звезд и газа. В х гг. теоретики считали, что наша Галактика сформировалась на раннем этапе космической истории – по новейшим оценкам, около 13 млрд. лет назад – истой поры не претерпевала существенных изменений.
Но выяснилось, что Галактика продолжает формироваться. Как и прежние открытия, это представление возникло в итоге изучения других галактик. Сегодня принято считать, что большинство из них образовалось при слиянии более мелких объектов. В нашей Галактике мы наблюдаем заключительный этап этого процесса:
разрываются малые галактики+спутники, захватываются их звезды из межгалактического пространства непрерывно поступают облака газа.
Таким образом, формирование Галактики продолжается, о чем свидетельствуют высокоскоростные облака (highvelocity clouds, HVC) – таинственные сгустки водорода с массами до 10 млн.
масс Солнца и поперечниками порядка 10 тыс.
световых лет, с большой скоростью проносящиеся сквозь внешние области Галактики. Их открыли 41 год назад, но данные последних 5 лет показали некоторые из этих облаков падают на
Галактику. Оказалось, что Галактика «дышит»,
выталкивая газ, и втягивает его обратно, как бы делая вдохи и выдохи. Кроме того, свойства быстрых облаков говорят о существовании гигантской сферы горячей разреженной плазмы, окружающей нашу Галактику. Астрономы давно подозревали, что она существует, но немногие догадывались, насколько она велика.
Понять природу высокоскоростных облаков было трудно, поскольку, находясь внутри Галактики, невозможно точно определить их местоположение. Мы измеряли две координаты на небесной сфере, ноне имели данных о значении третьей – глубины. Неопределенность породила множество гипотез согласно одним, эти облака находились в нашем непосредственном звездном окружении, согласно другим – далеко в межгалактическом пространстве.
Только с помощью наземных и орбитальных телескопов удалось определить положения этих облаков в мировом пространстве и получить ясное представление о нашем небесном городе.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   36

перейти в каталог файлов


связь с админом