Вопрос расширения вселенной

Пнд, 07/07/2014 - 19:34

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, например, молекулы поворачиваются так, чтобы их положительные концы (пары атомов водорода) были направлены в одну сторону, а отрицательные (атомы кислорода) — в другую.

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 и, в свою очередь, частично нейтрализуются. Такой эффект наблюдается в том случае, когда длина волны фотонов лежит в определенном диапазоне: длинноволновые фотоны слишком слабы, чтобы поляризовать диэлектрик, а 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 эквивалент 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, т.е. в направлении, в котором они могут двигаться. Поэтому такие гравитоны могут поляризовать мембрану и, в 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 с тем через дополнительные измерения могут свободно проходить длинноволновые гравитоны, роль которых несущественна на малых расстояниях. Однако на дистанциях, сопоставимых с их 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 отрицательным и превращается 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 с течением времени. Поэтому неустранимое искривление мембраны действует так же, как темная энергия, которая ускоряет космическое расширение.

Другие материалы рубрики


  • 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


  • ...Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт - на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость - 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено - лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

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


  • Юпитер называют планетой загадок. В статье высказывается гипотеза о причинах феномена «горячих теней» — наиболее таинственного и малоисследованного процесса, наблюдаемого в атмосфере гигантской планеты.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью — один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков. Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Несмотря на то, что идея коллапса кажется простой (при сжатии ядра выделяется энергия гравитационной связи, за счет которой выбрасываются внешние слои вещества), трудно понять процесс в деталях. В конце жизни у звезды с массой более 10 масс Солнца образуется слоеная структура, с глубиной появляются слои все более тяжелых элементов.
    Ядро состоит в основном из железа, а равновесие звезды поддерживается квантовым отталкиванием электронов.
    Но в конце концов масса звезды подавляет электроны, которые вжимаются в атомные ядра, где начинают реагировать с протонами и образовывать нейтроны и электронные нейтрино. В свою очередь, нейтроны и оставшиеся протоны прижимаются друг к другу все сильнее, пока их собственная сила отталкивания не начнет действовать и не остановит коллапс.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Новая теория позволила сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку. В результате этих работ была предсказана новая разновидность света, состоящая не из обычных фотонов, а из загадочных Z–частиц. В окрестностях Женевы в 1983 году в серии экспериментов, исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, были обнаружены Z–частицы, то есть единая теория поля получила подтверждение. Теоретики к этому времени сформулировали амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабыми взаимодействиями еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Кроме того, были получены первые результаты исследований в области гравитации, показывавшие, каким образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами взаимодействий...

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


  • Невиданный успех фильма «Аватар» о событиях на экзопланете Пандора на самом деле может быть не такой уж и фантастикой. По крайней мере, обнаружение новых планет в других звездных системах дает нам надежды на то, что мы на самом деле увидим причудливых инопланетных существ.
    Фантастика зачастую является таковой лишь для определенной эпохи, и с развитием научно-технического прогресса она становится реальностью. Вот и «Аватар» не зря был снят, точнее, смонтирован именно сейчас — ведь еще десять-пятнадцать лет назад подобное казалось уж больно нереальным. Примерно, как обнаружение живого динозавра.
    Современные астрономы уже не отрицают, что где-то там, в других галактиках или даже в нашем родном Млечном пути, есть жизнь. Завлабораторией астроинформатики Главной астрономической обсерватории НАН Украины Ирина Вавилова так и говорит: «Считаю, что она существует. В форме простейших организмов — так точно».

    • 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.



  • Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • 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).