Революційні досягнення як у теорії, так і в технології привели космологію до найпліднішого періоду від часу її виникнення. Було виявлено несподівані складові Всесвіту та перевірено ідеї, перспективні для розуміння його основ. Було встановлено глибокий зв’язок між фізикою масштабів мікросвіту та фізикою найбільших відомих нам масштабів.
Альберт Ейнштейн, Леопольд Інфельд
Фізичні поняття є вільними витворами людського розуму, а не однозначно визначаються зовнішнім світом, як це іноді може здаватися. У нашому прагненні зрозуміти реальність ми почасти подібні до людини, яка хоче зрозуміти механізм закритого годинника. Вона бачить циферблат і рухомі стрілки, навіть чує цокання, але не має засобів відкрити його корпус. Якщо вона кмітлива, то може намалювати собі певну картину механізму, яка відповідала б усьому, що вона спостерігає, але ніколи не може бути цілком упевненою, що її картина єдина, яка могла б пояснити її спостереження. Вона ніколи не зможе порівняти свою картину з реальним механізмом і не може навіть уявити собі можливість чи сенс такого порівняння. Але вона, звісно, впевнена в тому, що зі зростанням її знань її картина реальності ставатиме дедалі простішою й пояснюватиме дедалі ширше коло її чуттєвих сприйнять. Вона може також вірити в існування ідеальної межі знань і в те, що людський розум наближається до цієї межі. Цю ідеальну межу вона може назвати об’єктивною істиною.
Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов.
Вступ
Тридцять років тому космологію можна було визначити як науку, що вивчає два числа: поточну швидкість розширення (або сталу Габбла) ${{H}_{0}}$ та її зміну з часом — параметр уповільнення ${{q}_{0}}$. Але це було до відкриття гігантських стін галактик, порожнин, темної матерії, тонких флуктуацій МКФ, темної енергії та прискореного розширення Всесвіту. Сьогодні предмет космології став незмірно багатшим і значно тісніше пов’язаним із фундаментальною теорією. Вона описує походження структур, геометрію Всесвіту та його еволюцію.
У цій новій картині, що й далі доповнюється, міцно вкорінилася фізика елементарних частинок. Найважливішу роль в еволюції Всесвіту відіграє рання фаза аномального розширення, яку називають інфляцією. Це розширення згладило складки та кривизну простору-часу й розтягнуло квантові флуктуації від субатомних до астрофізичних масштабів. За інфляцією настала фаза, коли Всесвіт був гарячою сумішшю елементарних частинок, з яких виникли всі форми матерії, що існують сьогодні. Через 10.000 років його еволюції посилення гравітації привело до переходу від малих згустків матерії, зумовлених квантовими флуктуаціями, до багатих космічних структур, які ми спостерігаємо сьогодні: окремих галактик, скупчень галактик і надскупчень.
Нещодавні спостереження Всесвіту не лише зміцнили й розширили модель Великого вибуху, а й принесли значні несподіванки. Зокрема, Всесвіт переважно складається з чогось, що фундаментально відрізняється від того, з чого складається звичайна матерія. Під звичайною матерією розуміють матерію, що складається з нейтронів і протонів (баріонів) або з кваркових триплетів. Близько 30% повної маси-енергії становить темна матерія, що складається з частинок, які утворилися на ранньому етапі еволюції Всесвіту. Дві третини становить темна енергія, гравітаційні ефекти якої спричинили початок прискореного розширення Всесвіту кілька мільярдів років тому. Звичайна матерія становить менш ніж 4% повної маси-енергії Всесвіту. МКФ становить близько 0.01%, але в ньому закодовано інформацію про ранню історію Всесвіту й, можливо, навіть про його майбутню долю.
Ми вже знаємо досить багато про структуру Всесвіту. У найближчій частині Всесвіту галактики утворюють космічну мережу, що складається з sheets (шарів) і переплутаних ниток, розкиданих серед порожнин. Попри ці очевидні неоднорідності, на великих масштабах Всесвіт стає однорідним. Це відбувається, якщо розглядати його на масштабах порядку 100 Mpc за поточного горизонту порядку 10.000 Mpc.
Ми почнемо огляд з опису Всесвіту, його структури, складу та глобальних властивостей. Потім перейдемо до обговорення його походження та ранньої стадії еволюції, підкреслюючи глибокий зв’язок між фізикою на малих і дуже великих масштабах. Завершимо обговоренням нещодавніх спірних ідей і тих проблем, з якими космологи стикаються сьогодні.
Вимірювання параметрів Всесвіту
А. Космологічні засади
Основою для розуміння еволюції Всесвіту є модель гарячого Великого вибуху (hot big-bang model), яку зазвичай називають космологічною моделлю Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW). Заснована на ЗТВ, ця модель припускає, що на великих масштабах Всесвіт однорідний та ізотропний. Ці припущення нині узгоджуються зі спостереженнями.
Цю модель (разом з інфляцією) можна описати 16 космологічними параметрами, які можна поділити на дві групи (див. Таблицю 1). Перші 10 параметрів описують розширення, глобальну геометрію, вік і складові моделі FLRW, тоді як решта 6 описують відхилення від однорідності (флуктуації), які на ранньому етапі еволюції Всесвіту були малими, але сьогодні проявляються в існуванні космічних структур від галактик до надскупчень.
Рівняння Фрідмана визначає швидкість розширення та пов’язує деякі з перших 10 параметрів
$$ {{H}^{2}}\equiv {{\left( \frac{{\dot{a}}}{a} \right)}^{2}}=\frac{8\pi G{{\rho }_{tot}}}{3}-\frac{1}{R_{curv}^{2}} $$ $$ {{\rho }_{tot}}=\sum\nolimits_{i}{{{\rho }_{i}}},\quad R_{curv}^{2}\equiv k/{{a}^{2}} $$ (1)де $H$— швидкість розширення, $a(t)$— космічний масштабний фактор, що описує зміну відстаней між галактиками, ${{\rho }_{tot}}$— повна густина маси-енергії та ${{R}_{curv}}$— радіус кривизни. Добре відома величина — космологічне червоне зміщення $z$(що пов’язує спостережувану довжину хвилі фотона ${{\lambda }_{R}}$, отриману в момент часу ${{t}_{R}}$, із довжиною хвилі в системі спокою (випромінювача) у момент часу ${{t}_{E}}$) безпосередньо пов’язана зі зміною космічного масштабного фактора $a(t)$
\[1+z\equiv {{\lambda }_{R}}/{{\lambda }_{E}}=a({{t}_{R}})/a({{t}_{E}})\]де $''0''$ позначає поточне значення параметра, ${{\Omega }_{0}}\equiv {{\rho }_{tot}}/{{\rho }_{crit}}$ і ${{\rho }_{crit}}\equiv 3H_{0}^{2}/8\pi G$ — так звана критична густина, що відділяє випадок додатної кривизни $(k>0)$(Всесвіт із високою густиною) від випадку $(k < 0)$(Всесвіт із низькою густиною). Нещодавні вимірювання анізотропії МКФ дали переконливі докази того, що просторова геометрія Всесвіту близька до плоскої $(k=0)$з точністю ${{\Omega }_{0}}=1.0\pm 0.03$.
Відомі нині складові включають: звичайну матерію (або баріони) з густиною ${{\Omega }_{B}}={{\rho }_{B}}/{{\rho }_{crit}}$, холодну темну матерію з густиною ${{\Omega }_{CDM}}$, масивні нейтрино з густиною ${{\Omega }_{\nu }}$, МКФ (та інші форми випромінювання) ${{\Omega }_{rad}}$ і темну енергію ${{\Omega }_{X}}$. Значення часткових густин отримано емпірично (див. нижче), і в межах похибок їхнього обчислення ${{\Omega }_{0}}=1$, що відповідає значенню кривизни $k=0$.
Другий набір параметрів, який у загальних рисах характеризує окремі відхилення від однорідності, описує: (a) дуже малі $(\sim 0.01%)$ первісні флуктуації густини матерії, закодовані в МКФ, (b) спостережувані сьогодні неоднорідності в розподілі матерії, (с) можливий спектр гравітаційних хвиль, породжених інфляцією. Початковий спектр флуктуацій густини описують у термінах їхнього спектра потужності $P(k)$, який є квадратом перетворення Фур’є поля густини, $P(k)\equiv {{\left| {{\delta }_{k}} \right|}^{2}}$, де хвильове число $k$ пов’язане з довжиною хвилі флуктуацій співвідношенням $k=2\pi /\lambda $. Галактики на зразок нашої утворилися зі збурень із довжиною хвилі $\lambda \sim 1Mpc$. Початковий спектр потужності описується степеневим законом $P(k)\propto {{k}^{n}}$, де $n=1$відповідає флуктуаціям гравітаційного потенціалу, які однакові на всіх масштабах (випадок так званої масштабної інваріантності). Масштабно-інваріантний спектр передбачається теорією інфляції та узгоджується зі спостережуваною кривизною
Точне вимірювання всіх параметрів становить серйозну проблему. Значний технологічний прогрес дав змогу відповісти на цей виклик. У деяких випадках вдалося перевірити узгодженість теоретичних передбачень та експериментальних спостережень.
В. Розширення Всесвіту
Розширення Всесвіту відкрив у 1929 р. Едвін Габбл, який виміряв відстані до низки найближчих галактик і встановив кореляцію між відстанню та швидкістю розбігання. Нахил відповідної прямої і був сталою Габбла. Великі систематичні невизначеності у визначенні відстаней зробили точне визначення сталої Габбла складною проблемою. Лише нещодавнє вдосконалення апаратури (телескоп Габбл) і розвиток нових методик дали змогу істотно підвищити точність. Точніше визначення відстаней до сусідніх галактик, отримане в межах проєкту HST Key, дало змогу узгодити результати 5 різних методик визначення відстаней аж до 500 Mpc. Отриманий у межах цих методик результат
\[{{H}_{0}}=72\pm 2\pm 7\,km{{\sec }^{-1}}Mp{{c}^{-1}}\]
Величину ${{H}_{0}}$ часто подають у вигляді \[{{H}_{0}}=100h[km{{\sec }^{-1}}Mp{{c}^{-1}}];\quad h=0.72\pm 0.02\pm 0.07\] Низка альтернативних методик приводить до дещо інших значень ${{H}_{0}}$
Оскільки світло від дуже далеких галактик було випущене дуже давно, діаграма Габбла дає спосіб досліджувати розширення в далекому минулому. Протягом багатьох десятиліть експериментальні зусилля були спрямовані на вимірювання очікуваного вповільнення розширення з часом завдяки гравітації, створюваній усією матерією у Всесвіті. Однак спостереження двох незалежних груп (Perlmutter et al. 1999, Riess et al. 1998) показали, що Всесвіт насправді розширюється прискорено.
Примітно, що ефект прискореного розширення можна природно врахувати в межах теорії Ейнштейна, оскільки інтенсивність джерела гравітації пропорційна $(\rho +3p)$, де величини $\rho ,p$ описують об’ємні властивості «субстанції». Для звичайної або навіть небаріонної темної матерії $p=0$, тоді як для фотонів і релятивістських частинок $p=\rho /3$. Субстанція, яка є дуже пружною, тобто з $p < -1/3\rho $, створюватиме ефективно відштовхувальну гравітацію. Основна причина космічного прискорення пов’язана не лише з появою нової субстанції, а й зумовлює наше глибше розуміння гравітації.
Для опису сповільнення розширення раніше було введено параметр сповільнення (він пов’язаний з масою-енергією, що міститься у Всесвіті)
$${{q}_{0}}\equiv \frac{-{{\left( \ddot{a}/a \right)}_{0}}}{H_{0}^{2}}=\frac{{{\Omega }_{0}}}{2}+\frac{3}{2}{{w}_{X}}{{\Omega }_{X}}\simeq -0.67\pm 0. {{w}_{X}}\equiv {{p}_{X}}/{{\rho }_{X}}$$Параметр ${{w}_{X}}$ характеризує тиск компоненти, що являє собою темну енергію. Хоча ${{w}_{X}}$ і не обов’язково є сталою, ми дотримуватимемося цього обмеження. За відсутності темної енергії плоский Всесвіт має сповільнюватися внаслідок самогравітації $({{q}_{0}}=0.5)$, тоді як темна енергія допускає прискорення. Вимірювання за допомогою наднових узгоджуються зі значеннями ${{w}_{X}}=-1,\ {{\Omega }_{X}}=0.7$. Дуже важливі незалежні підтвердження цих разючих результатів. Вагомі додаткові аргументи на користь існування нової енергетичної компоненти дають вимірювання флуктуацій МКФ.
Темна енергія — таємнича субстанція з від’ємним тиском, порівнянним за величиною з густиною її енергії, — поки що не має ясного пояснення. Розуміння її природи становить величезний виклик і для космологів, і для фізиків, які займаються теорією елементарних частинок.
Згідно з нашими сучасними уявленнями, видима частина матерії (зорі) становить лише 1% від загальної кількості матерії. Те, що ми бачимо в телескоп, — вершина гігантського айсберга. Решта матерії у Всесвіті, що гравітаційно притягується, — темна матерія, а висновок про її існування роблять на підставі гравітаційних ефектів. Хоча історія темної матерії, яка утримує разом галактики та скупчення галактик, дуже давня (Zwicky, 1933), природа темної матерії досі невідома. Якщо знову звернутися до згаданої вище алегорії, то виявилося, що зі старих деталей ми не можемо сконструювати модель (годинник), яка приводить до прискореного розширення Всесвіту. Потрібні були нові деталі (сутності)! Цими новими сутностями і стали темна енергія і темна матерія, що становлять 95% матеріального вмісту Всесвіту.
Тут варто зробити одне застереження. Я говорив на початку про збереження деяких загальних, твердо встановлених принципів. Але, загалом кажучи, і вони не є непорушними. Звернімося до історії. Починаючи з 1687 року (публікації Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) було докладено великих зусиль для пояснення руху астрофізичних об’єктів у термінах закону тяжіння. Відтоді відхилення спостережуваних рухів від очікуваних траєкторій сприяли нашому глибшому розумінню Всесвіту. Щоразу, коли в русі планет Сонячної системи спостерігалися аномалії, виникало запитання: чи слід трактувати такі аномалії як спростування законів гравітації, чи як вказівку на існування невидимих (сьогодні ми можемо сказати «темних») об’єктів? Класичний приклад. Аномалії в русі Урана привели француза Verrier та англійця Адамса до припущення про існування Нептуна, відкритого в 1846 році J.Galle. Натомість спроби пояснити аномалії в русі Меркурія існуванням нової планети, названої Вулканом, виявилися хибними, і остаточне розв’язання було знайдено в межах ЗТВ, тобто за допомогою введення досконаліших законів гравітації.
Проблеми, пов’язані з уведенням темної енергії
Прискорення Всесвіту $\to $Темна енергія $\to $ Нові проблеми
Проблема космологічної сталої: чому енергія вакууму така мала порівняно з теоретичними оцінками?
Загадка темної енергії: яка природа гладко розподіленої сталої густини енергії, що домінує у Всесвіті?
Проблема збігів: чому густина темної енергії приблизно дорівнює густині матерії саме сьогодні?
Кожен із цих пунктів становить серйозний виклик для фізиків, але разом вони нагадують, як мало ми знаємо про багато фундаментальних особливостей природи.
З погляду рівняння Ейнштейна космологічна стала $\Lambda $ — цілком вільний параметр. Вона має розмірність $[{{L}^{-2}}]$ і, отже, визначає певний масштаб довжини, тоді як ЗТВ не має власного масштабу. З суто класичного погляду $\Lambda $ є просто світовою сталою, значення якої ми маємо знайти з експерименту.
Уведення квантової механіки істотно змінює ситуацію. Стала Планка дає змогу визначити масштаб гравітаційної довжини — планківську довжину
\[{{L}_{P}}={{\left( 8\pi G \right)}^{1/2}}={{\left( 8\pi \frac{\hbar G}{{{c}^{3}}} \right)}^{1/2}}\sim {{10}^{-32}}cm\]
і планківську масу \[{{M}_{P}}={{\left( \frac{1}{8\pi G} \right)}^{1/2}}={{\left( \frac{1}{8\pi }\frac{\hbar c}{G} \right)}^{1/2}}\sim {{10}^{18}}GeV={{10}^{-5}}g\] Отже, природно очікуваний масштаб, пов’язаний з уведенням космологічної сталої, \[{{\Lambda }^{(guess)}}\sim L_{P}^{-2}\] або виражений як густина енергії \[\rho _{vac}^{(guess)}\sim M_{P}^{4}\sim {{({{10}^{18}}GeV)}^{4}}\sim {{10}^{112}}erg/c{{m}^{3}}\]Зараз ми вважаємо, що виконали перші вимірювання густини вакуумної енергії, використовуючи комбінацію SNe Ia + МКФ + ……..і отримали
\[\rho _{vac}^{(obs)}\sim {{10}^{-8}}erg/c{{m}^{3}}\sim {{({{10}^{-3}}eV)}^{4}}\] або \[\rho _{vac}^{(obs)}\sim {{10}^{-120}}\rho _{vac}^{(guess)}\] Ці 120 порядків = дамоклів меч, занесений над усією мікрофізикою (а не над космологією, як може здатися). 120 порядків = нечесна гра: \[{{\rho }_{vac}}=M_{vac}^{4}\] \[M_{vac}^{(obs)}={{10}^{-30}}M_{vac}^{(guess)}\]
Загадка ідентифікації — завдання майбутнього.
Проблема збігів
\[\frac{{{\Omega }_{\Lambda }}}{{{\Omega }_{M}}}\propto {{a}^{3}},{{\Omega }_{M0}}=0.3,{{\Omega }_{\Lambda 0}}=0.7\]В історії Всесвіту є лише короткі епохи, коли можливо спостерігати перехід від домінування однієї компоненти до іншої. Чи важко «потрапити» в еру, коли роль вакууму та матерії порівнянна?
Є приблизно 1% шанс того, що спостерігач, який живе у випадково вибраному логарифмічному інтервалі розширення в історії нашого Всесвіту, буде достатньо щасливим, щоб опинитися в той момент історії, коли ${{\Omega }_{M}}$ і ${{\Omega }_{\Lambda }}$ мають однаковий порядок величини.
Другий аспект проблеми збігів — дуже вузький інтервал значень $\Lambda $, які допускають виникнення життя.
Це привело до формулювання так званих антропологічних аргументів на користь малих значень космологічної сталої. Один із таких аргументів такий: якщо наш Великий вибух — лише один із багатьох Великих вибухів із широким інтервалом вакуумних енергій, то природно, що деякі з цих Великих вибухів мають мати вакуумну енергію саме в тому вузькому інтервалі, де можливе утворення галактик, і, звичайно, це саме ті Великі вибухи, в яких можуть існувати астрономи та фізики, що з подивом вивчають вакуумну енергію.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):