Вопрос расширения вселенной

Пнд, 07/07/2014 - 19:34

Это поле относят к темной энергии. Больше объяснений расширяющейся Вселенной пока нет, поэтому приходится серьезно задумываться о дополнительных измерениях, которые хоть как-то могут повлиять на поведение гравитации. Согласно закону всемирного тяготения сила гравитационного взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Еще Фридрих Гаусс установил, что сила тяготения определяется плотностью линий гравитационного поля, которые как бы растягиваются на все большую поверхность при увеличении расстояния между объектами. Площадь этой воображаемой поверхности увеличивается как квадрат расстояния, так как пространство трехмерное, а граница — двумерная.

Если бы пространство было четырехмерным, то граница поверхности была бы трехмерной, тогда поверхность была бы объемом и пропорциональна кубу расстояния. В этом пространстве плотность силовых линий была бы обратно пропорциональна кубу расстояния между объектами, и гравитация была бы слабее, чем в трехмерном мире. Вот это уже может стать существенным объяснением расширения Вселенной, так как речь идет о космологических масштабах расстояний.

Почему раньше не было идеи, что гравитация может распространяться в дополнительное измерение? И почему движения планет и ракет так точно описываются все-таки традиционным законом обратных квадратов? Теория струн предусматривала дополнительные измерения только в свернутом крошечном виде, около 10-35 м, хотя современные работы показывают уже размеры порядка 0,2 мм. И считается, что влияние этих измерений на гравитацию возможно только на расстоянии, сопоставимом с размерами самих измерений. Теория струн не предполагает влияние дополнительных измерений на гравитацию при больших расстояниях.

ПОЖИЗНЕННОЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сама идея о свернутых измерениях имеет и недостатки. Она не дает ответа на вопрос, почему одни измерения очень малы и свернуты, а другие измерения растянуты в бесконечность. Если так, что заставляет измерения разворачиваться и распрямляться?

Есть и другое объяснение, появившееся в 1999 году. Возможно, все без исключения измерения бесконечны. Наблюдаемая Вселенная — это трехмерная поверхность с большим числом измерений, и некоторые силы, такие как тяготение, могут выходить за пределы мембраны.

Дело в том, что, согласно квантовой теории поля, силу тяготения переносят гравитоны. Притяжение тел обусловлено потоком гравитонов между телами, наподобие электрическому току. Когда тяготение статично — одно тело испускает гравитоны, а другое тело эти гравитоны поглощает. Эти гравитоны нельзя рассматривать как независимые частицы.

Согласно теории струн, гравитоны представляют собой колебания крошечных струн. Протоны, нейтроны и фотоны рассматриваются как струны с открытыми концами, как струны в скрипке. В отличие от протонов, нейтронов и фотонов, гравитоны рассматриваются как колебания замкнутой петли, подобно резиновому кольцу. Йозеф Полчински (Joseph Polchinski) из Института теоретической физики в Санта-Барбаре показал, что концы открытых струн должны быть зафиксированы на мембране, однако струны гравитонов ни к чему не привязаны и могут перемещаться во всем 10-мерном пространстве. Однако гравитонам трудно покинуть три обычных измерения, так как дополнительные сильно изогнуты. Вот чем объясняется то, что работает классический закон тяготения.

Так интересно получается, что дополнительные измерения, несмотря на их бесконечную протяженность, имеют конечный объем. Это происходит из-за из сильного искривления. Это все равно что наливать воду в бесконечную воронку, которая бесконечно сужается. Для этого нужно конечное количество воды. Вода сконцентрируется в верхней части воронки. Примерно таже гравитоны концентрируются возле мембраны. Получается, что волновая функция гравитона достигает максимума на нашей мембране. Этот эффект назвали «локализация гравитации», а модель получила название «Модель Рэндалл-Сандрама».

Этот сценарий сильно отличается от идеи свернутых измерений, однако приводит к тому же результату. Он также объясняет изменение закона тяготения на малых расстояниях и не предусматривает изменение гравитации в космологических масштабах.

ФИЗИКА НА МЕМБРАНЕ

Существует еще один подход к объяснению нарушения законов гравитации в космологических масштабах без привлечения темной энергии.
В 2000 г. автор вместе с Григорием Габададзе (Gregory Gabadadze) и Массимо Поррати (Massimo Porrati) предположили, что дополнительные измерения точно такие же, как обычные. Но даже в этом случае гравитоны не могут свободно гулять по измерениям. Гравитоны, испущенные звездами, могут уходить в другие измерения только после прохождения ими некоего критического расстояния. Подобное происходит, когда чем-то стукнуть по длинному железному листу. Звуковая волна пойдет по металлу, но часть рассеется в воздухе. Чем больше расстояние, тем больше рассеивание.

Рассеивание гравитонов оказывает сильное влияние на притяжение объектов, которые сильно удалены друг от друга. Гравитоны, просочившиеся через дополнительные измерения, для нас остаются потерянными навсегда. В условиях маленьких расстояний дополнительные измерения могут проявляться так, как это описывала предыдущая гипотеза. На средних расстояниях гравитоны ведут себя как трехмерные и описываются классическим законом 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. Окружающее пространство, напротив, действительно пусто, и гравитоны свободно пролетают через него, взаимодействуя только друг с другом.

Другие материалы рубрики


  • Вращаясь вокруг Солнца, инфракрасная обсерватория НАСА ищет следы молодых звезд и галактик, а также межзвездное пространство, в котором они образовались.
    Космический телескоп имеет очевидные преимущества в изучении инфракрасного теплового излучения, которое испускают объекты, слишком холодные, чтобы сиять в спектре видимого света. Атмосфера Земли - постоянная помеха для инфракрасных приборов, поскольку она не только впитывает слабые инфракрасные лучи из космоса, но и сама выделяет их огромное количество.
    В 1979 году НАСА представило инфракрасный космический телескоп SIRTF. Он не стал первым инфракрасным прибором на орбите, но долгое время оставался самым большим.



  • Уже очень скоро сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики украсит красочный венец из молодых и ярких звезд. Следы метилового спирта в огромном газовом кольце вокруг нее означают, что в нем уже формируются массивные звезды. Раньше астрономы думали, что черная дыра образованию звезд может помешать.
    В центрах большинства галактик, особенно крупных, находятся сверхмассивные черные дыры, весящие миллионы и даже миллиарды солнечных масс — куда больше тех, что возникают в конце эволюции звезд. Судя по всему, эти объекты зародились еще в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, и с тех пор лишь росли, постепенно нагуливая массу и освещая свои вселенские окрестности ярким светом активности галактического ядра

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства говорят как о рождении “из ничего”, которое близко по духу рождению ex nihilo в христианской доктрине. Для физики пустое пространство совсем не “ничего”, а весьма существенная часть Вселенной, а мысль о рождении самого пространства может показаться вообще странной. Однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное “разбухание” пространства. С каждым днем доступная современным телескопам область Вселенной возрастает на 1018 кубических световых лет. Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его “становится больше”. Пространство напоминает суперэластик тем, что оно, насколько известно физикам, может неограниченно долго растягиваться не разрываясь. Растяжение и искривление пространства напоминает деформацию упругого тела тем, что “движение” пространства происходит по законам механики точно так же, как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации. Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству и к времени.
    Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для “создания” материи — это есть космический бутстрэп (bootstrap — в переводе “зашнуровка”, в переносном смысле — отсутствие иерархии в системе элементарных частиц).



  • В августе 1989 года с космодрома Куру ракетой-носителем Ариана 4 был запущен на орбиту вокруг Земли искусственный спутник HIPPARCOS. Название этого аппарата напоминает имя известного древнегреческого астронома Гиппарха (II в. до н.э.), открывшего явление прецессионного движения оси вращения Земли и предложившего первую фотометрическую шкалу измерения блеска звезд. Отдавая дань уважения Гиппарху, специалисты из Европейского Космического Агентства дали своему спутнику имя, которое они составили из первых букв полного названия научного проекта: HIgh Precision PARarallax COllecting Satellite — «Спутник для получения высокоточных параллаксов». Космический аппарат просуществовал на орбите 37 месяцев, и за это время он провел миллионы измерений звезд. В результате их обработки появились на свет два звездных каталога. Первый из них — HIPPARCOS.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • ...Итак, согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигла 1010 К — это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство Вселенной было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
    Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Объект, отснятый близ звезды, сходной с Солнцем, не вписывается в привычные теории формирования планет. Специалистам еще предстоит разобраться с особенностями рождения этого странного мира, а широкая публика просто любуется снимками. Еще бы — не каждый день можно увидеть планету другой звезды, пусть и открыты их сотни.
    Звезда 1RXS J160929.1-210524 расположена примерно в 500 световых лет от нас. Она очень похожа на Солнце. Ее «вес» равен 85% массы нашей родной звезды. Правда, это светило значительно моложе нашего — 210524 возникла порядка пяти миллионов лет назад.
    Новая планета, по расчетам астрономов, обладает массой примерно в восемь масс Юпитера. И она не была бы такой уж уникальной, если б не два обстоятельства. Первое — она «вживую» запечатлена на снимках. А о втором скажем позже.
    Впервые астрономы непосредственно увидели объект планетарной массы на орбите вокруг звезды, такой как Солнце, и если подтвердится, что этот объект действительно гравитационно привязан к звезде, это будет крупным шагом вперед.
    Интригу, впрочем, принесло не яркое достижение наблюдательной астрономии как таковое, а выявленные параметры системы.



  • Наблюдая и изучая особенности Млечного Пути, астрономы долгое время не могли понять общую структуру и историю нашей Галактики. До 1920 г. ученые не были уверены, что Галактика — отдельный объект, один из миллиардов подобных. К середине 50-х гг. они наконец составили план Галактики, представляющий собой величественный диск из звезд и газа. В 60-х гг. теоретики считали, что наша Галактика сформировалась на раннем этапе космической истории — по новейшим оценкам, около 13 млрд. лет назад — и с той поры не претерпевала существенных изменений.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5