Темная сторона Вселенной

И ученые неравнодушны к сенсациям, но предпочитают сенсации научные. Только не часто случается, чтобы сенсационное открытие задело буквально всю физику. Так было в начале XX века, когда разом появились такие гиганты, как Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Поль Дирак и другие блестящие ученые, перевернувшие всю классическую физику. Понадобилось несколько поколений, чтобы новые физические идеи органично впитались наукой… На стыке ХХ и XXI веков в науке стали разворачиваться события, масштаб которых вполне сопоставим с тем, что был в начале прошлого века. На международных конференциях доклады о новостях космологии собирают массу народа. Нового Эйнштейна пока не видно, но дело зашло очень далеко…


http://nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?05+0403+05403038+HTML

В журнале "Наука и жизнь" 5-2005 опубликована статья в которой говорится что мы наблюдаем 0,4% массы вещества во Вселенной. Еще 3,6% могут дать облака межзведной пыли и водорода. Остальные 96% - неизученная современной наукой форма материи и энергии. Почти не взаимодействующая с обычной материей, но вездесущая. Существовавшая до Большого взрываи и определяющая форму и развитие Вселенной, звезд и галактик. Короче - прямо дух Божий по Библии. Может кто отсканит статью?
Наука, новости науки, российская наука, история науки, современная наука, наука и образование. Журнал "Наука и жизнь"

Отсканил частично:
…Полная масса обычного вещества составит не более 4% от массы Все¬ленной! Больше взять неоткуда. Эти 4% обра¬зует материя, состоящая из барионов, к клас¬су которых относятся нейтроны и протоны. Электроны столь же многочисленны, как и про¬тоны, но их масса на несколько порядков мень¬ше. Барионная материя — это весь мир обыч¬ного вещества Вселенной. Но опубликованные в 2003—2004 годах результаты новых иссле¬дований свойств реликтового излучения при¬борами спутника \Л/МАР показали, что в общей сумме барионной и темной масс барионная материя занимает только 17%.
ТЕМНАЯ МАССА ВСЕЛЕННОЙ — ЧТО ПРО НЕЕ ИЗВЕСТНО?
Из всех соображений, упомянутых (и не упо¬мянутых) выше, следует, что темная масса Вселенной в 6 раз превышает массу материи обычной—той, что видят и что пока не замеча¬ют глаза и приборы. До 70-х годов астрофизики наивно предполагали существование темной массы только в скоплениях галактик. Затем ее «допустили» и в нашу Галактику, где на нее при¬ходится примерно столько же массы, сколько и на обычную материю. В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Га¬лактики, образуя классический диск, темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой. В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика. Темная масса никак не взаимодействует с излучением любых видов, никак не светит сама и ничего не поглощает. Но она подвержена закону всемир¬ного тяготения и проявляет себя, концентриру¬ясь вокруг галактик и других массивных объек¬тов. Впрочем, правильнее сказать, наверное, что это галактики и другие массивные объекты концентрируются вокруг скоплений таинствен¬ной темной массы, которой в 6 раз больше. Именно возникавшие на ранней стадии Вселен¬ной неоднородности распределения темной массы привели к образованию первых протогалактик. Более того, из наблюдений спутника \Л/МАР (рис. 5) следует, что она уже существо¬вала в момент Большого взрыва. Без нее наш мир не мог возникнуть. Кроме тяготения тем¬ная масса ничем себя не выдает. Предполага¬ется, что она состоит из каких-то неизвестных элементарных частиц с парадоксальными свой¬ствами (для них уже предложено название: «нейтралино»). Они не только не реагируют на излу¬чение, но и практически не взаимодействуют между собой. Многие исследователи считают, что они оставались холодными даже при Боль¬шом взрыве, никак не реагируя на миллиарды его градусов. О них нет никаких, абсолютно ни¬каких экспериментальных данных — кроме гравитации. Зато есть очень научное название: «холодная бесстолкновительная темная мате¬рия». Находится ли темная масса прямо здесь, рядом снами, или, чтобы ее почувствовать, нуж¬на вся Галактика? В наше время обычная и тем¬ная материи обитают по соседству, но пристра¬стия у них разные. Темная материя рассеяна в окружающей Галактику сфере, а обычная скон¬центрирована в диске и центральных частях Га¬лактики, хотя это не значит, конечно, что темной
материи нет вокруг и внутри нас. Но ощущает ли ее, как силы тяжести и инерции, мой кот, кото¬рый сидел возле меня и сейчас спрыгнул с ком¬пьютера? У меня такое ощущение, что наши с ним познания о темной материи одинаковы.
Но что же могли бы представлять собой эти гипотетические элементарные частицы тем¬ной массы? Есть только догадки теоретиков, причем около десятка вариантов. Во-первых, частицы темной массы должны быть долгожи-вущими, не должны распадаться радиоактив¬ным образом в течение по меньшей мере 14 000 000 000 лет. Раз они оставались холод¬ными при Большом взрыве, значит, они нере¬лятивистские (медленные) и поэтому способ¬ны были создать гравитационные неоднород¬ности прямо в момент взрыва. Кандидатами на роль частиц темной массы называют слабо взаимодействующие массивные частицы (ан¬глийская аббревиатура \Л/!МРз), которым тео¬ретики приписывают интересные свойства, но которые, увы, еще не открыты. Что уже извес¬тно, так это плотность темной массы. В меж¬галактическом пространстве, в кубе со сторо¬ной 170 000 км (половина расстояния до Луны), содержится в среднем всего 1 г обычного, ба-рионного (светящегося), вещества и около 10 г темной массы. Вблизи Земли—Луны (и вооб¬ще в Солнечной системе) плотность обычного вещества в миллионы раз больше. Но в целом Вселенная — это главным образом пустота (а лучше сказать — вакуум).
НА СЦЕНУ ВЫХОДИТ ВАКУУМ
В конце XX века считалось, что в формиро¬вании Вселенной принимали участие две ги¬гантские силы. Согласно этим представлени¬ям, первой был Большой взрыв с невообрази¬мо быстрым расширением на ранней стадии. Затем энергия и масса стали конденсировать¬ся в элементарные частицы, атомы, звезды и галактики, удалявшиеся друг от друга с боль¬шой скоростью (по-видимому, это и есть ско¬рость расширения самого пространства, хотя с этим понятием возникает путаница). Но вто¬рая сила, их взаимное тяготение, поглощала кинетическую энергию разлета, постепенно замедляя движение. Выяснение характера за¬медления и должно было стать ответом на предлагаемые сценарии дальнейшего развития событий: остановится ли оно когда-нибудь и пойдет вспять, или тяготения недостаточно, и расширение, замедляясь, будет продолжаться вечно. Разбросанные в вакууме Вселенной вспышки сверхновых в удаленных на разные расстояния галактиках, как надеялись ученые, дадут наконец ответ. И ответы действитель¬но были получены. Только совсем не те, что ожидались. Вдело вмешался вакуум, который, скорее всего, и определяет судьбу Вселенной и даже, возможно, ее отдаленную катастрофу.
Физики и раньше считали, что вакуум кос¬мического пространства — самый сложный объект природы. Но уже 100 лет эксперимен¬таторы никак не могут к нему подступиться, хотя он в их распоряжении в неограниченном количестве. На свойствах вакуума построена вся радиосвязь, от космических аппаратов до телевидения и сотовых телефонов. Но это лишь одно из многих его свойств. Квантовая теория показывает, что вакуум как бы кипит элементарными частицами, которые парами частица—античастица (например, электрон-позитрон) на мгновение появляются на его «по¬верхности» (поверхности чего?) и тут же ны¬ряют обратно. Эти пары называются вирту¬альными; они вездесущи. Ими объясняются даже некоторые особенности спектра водоро¬да. При определенных условиях физикам уда¬ется их «поймать». (В те «урожайные» на фи¬зические открытия десятилетия начала XX века, в 1928 году, Поль Дирак выдвинул гипо¬тезу о бесконечном «море» провалившихся куда-то электронов. «Море» провалившихся электронов имеет бесконечную, но отрицатель¬ную энергию. Пары электрон—позитрон связа¬ны именно с морем Дирака.)
ВОЗВРАЩЕНИЕ ЛЯМБДА-ЧЛЕНА
Виртуальные частицы обладают некоторой энергией. На первый взгляд, исходя из интуитив¬ных представлений, о какой энергии пустоты мож¬но говорить? Но квантовая механика не в ладу с нашей интуицией. На этот раз она начала игры с лямбда-членом, который в пору своего возникно¬вения в работе Эйнштейна никакого отношения к квантовой механике не имел. (Квантовую меха¬нику Эйнштейн «не уважал», считая ее лишь фа¬садом чего-то скрытого, а про ее вероятностные законы говорил, что «не верит, что Бог играет в кости»). Но после десятилетий забвения лямбда-члена, отвергнутого самим автором, физики вновь вернулись к нему. В конце 60-х годов энер¬гия пустоты вышла в ряд важнейших проблем теоретической физики. На Московском астрофи¬зическом семинаре космологическая постоянная, греческая «лямбда», постоянно возникала на доске, а переполненная аудитория внимала, за¬таив дыхание, парадоксальным идеям, которые ей блистательно излагали Яков Борисович Зель¬дович, Иосиф Самуилович Шкловский, Андрей Дмитриевич Сахаров и другие, уже покинувшие нас корифеи. Общая теория относительности требует, чтобы в качестве источников гравита¬ции рассматривались все формы энергии, вклю¬чая энергию пустоты. В1967 году Зельдович про¬вел первые расчеты плотности энергии кванто¬вого вакуума и нашел, что ей соответствует лямбда-член невообразимой величины. В1967 и 1968 годах он опубликовал работы, в которых показал, что лямбда-член, или космологическая постоянная, — это не кривизна мира, а плот¬ность энергии вакуума. Космологическая посто¬янная становилась темой номер один. Теорети¬ки снова и снова обращались к плотности энер¬гии вакуума. Сказать, что их результаты кажут¬ся абсурдными, — слишком мягко. Расчеты по¬казывали, что энергия пустого пространства
превосходит ВСЮ энергию Вселенной (если оце¬нить ее с помощью знаменитого «эм-цэ-квад-рат»), нет, не в миллиарды, не в триллионы — в единицу со 120 нулями раз. При некоторых (ус¬ловных) допущениях можно ввести ограничение, и число нулей снижается до 55, от чего не легче. Если допустить, что столь высокая плотность энергии вакуума реальна, она мгновенно раздро¬била бы и разбросала все вещество Вселенной.
ЭКСПЕРИМЕНТ. ОТКРЫТИЕ ВСЕМИРНОГО АНТИТЯГОТЕНИЯ
Пока теоретики бились над немыслимой плот¬ностью энергии вакуума, техника эксперимен¬та достигла такого состояния, которое позво¬лило провести измерения яркости сверхновых, расположенных на полпути к горизонту Все¬ленной, о чем уже говорилось выше. Результа¬ты наблюдений очень далеких сверхновых по¬казаны на рис. 7. По горизонтали отложено крас¬ное смещение г, которое просто равно относи¬тельной величине смещения длин волн спект¬ральных линий сверхновой. Если 2 = 0,5, это соответствует примерно 1/3 расстояния до горизонта Вселенной; г = 1 — Вселенная в воз¬расте 6 миллиардов лет; г = 6 — молодая Все¬ленная, 1 миллиард лет. По вертикали показа¬на разность между теоретической яркостью сверхновой в пустом пространстве и реально наблюдаемой ее яркостью. Как уже говорилось, далекие галактики предстают такими, какими они были миллиарды лет назад. Соответствен¬но такими тогда были и свойства простран¬ства, в котором они находились. Если с тех пор расширение замедлилось, это должно быть видно в измерениях. Что же показал экспери¬мент? Уже при 2 = 0,5 яркость сверхновой ока¬зывается на 25% меньше теоретической. Но при т. = 1 вместо уменьшения яркость возрас¬тает. Кривая на рис. 7, с которой хорошо согла¬суются измерения, представляет теоретичес¬кую модель. (В ней соотношение плотности энергии вакуума и вещества составляет 0,7 к 0,3.) Выводы получаются такими. Величина красного смещения г = 1 — это то время, до которого все шло примерно так, как предска¬зывала теория: скорость разбегания галактик под действием всемирного тяготения посте¬пенно замедлялась. Вплоть до возраста 7 мил¬лиардов лет движением галактик управляла материя через гравитацию. Но дальше в их движении произошли изменения. Вместо за¬медления галактики стали УСКОРЯТЬСЯ, при- чем их ускорение экспоненциально нарастает в течение последних 5 миллиардов лет. Все¬мирное притяжение сменилось всемирным от¬талкиванием, или антигравитацией! Мы живем примерно в середине периода, когда роль тем¬ной массы (вместе с обычным веществом) сменилась ролью темной энергии. При возрас¬те 7 миллиардов лет их отношение было 10:1. Через 14 миллиардов лет отношение станет обратным, 1:10 (или 10 : 1, но уже в пользу темной энергии). Свойства антигравитации удивительны. Нам представляется естествен¬ным, что путешественник, который отправил¬ся из пункта А в пункт Б, удаляясь от А, при¬ближается к Б. Но путешественники на межга¬лактическом корабле отдаленного будущего смогут увидеть, что антигравитация удаляет от них все пункты одновременно.
ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ И СУДЬБА ВСЕЛЕННОЙ
На существование антигравитации указыва¬ют и результаты исследований реликтового излучения, и наблюдения сверхновых. Источ¬ник антигравитации, темная энергия, пред¬ставляет собой несравненно большую загад¬ку, чем темная масса. По-видимому, влияние темной энергии существовало всегда, но ста¬ло проявляться лишь тогда, когда силы грави¬тации Вселенной ослабились из-за ее расши¬рения. Наиболее подходящий кандидат на роль темной энергии — вакуум. Есть и другая гипо¬теза: космическое ускорение может объяснять¬ся ослабленной формой тех чудовищных сил, которые разбросали материю в Большом взры¬ве. По существу, это замена одного неизвест¬ного явления другим, еще более неизвестным, или, может быть, просто замена названия. Неиз¬вестно даже, тот ли вакуум сегодня правит во Вселенной, что был в момент ее рождения, и тот ли это вакуум, который в лабораториях штурму¬ют физики. Ученые размышляют, сжимаема ли темная энергия и не изменялись ли ее свойства во времени. Теоретические исследования указы¬вают на совершенно фантастическое, с точки зре¬ния здравого смысла, свойство вакуума: он дол¬жен иметь отрицательное давление, причем плот¬ность его энергии при расширении остается, как ни странно, постоянной, в то время как в газовой среде давление положительно и падает с расши¬рением. Интересно сравнить плотности энергии вакуума и темной материи. На тот же межгалак¬тический куб со стороной 170 000 км, с 1 г обычно-

го вещества и 10 г темной мас¬сы, приходится 25 г темной энер¬гии, если выразить ее как плот¬ность массы. Рис. 8 иллюстри¬рует, из чего состоит Вселенная. Вакуум является самой плотной средой. Но в отличие от темной и светящейся материй, распре¬деление которых неоднородно, плотность вакуума абсолютно одинакова во всей Вселенной. Среди других парадоксальных свойств вакуума — его плот¬ность и давление неизменны, несмотря на расширение Вселенной, которое он и вызывает, сам оставаясь неизменным. На ваку¬ум нигде и ничто не влияет. В отличие от реликто¬вого излучения, движение относительно вакуума не обнаруживается. Вакуум всегда попутный, как было показано в знаменитом эксперимен¬те Альберта Майкельсона еще в 1881 году.
Судьба нашей Вселенной, сценарий дальней¬ших в ней событий теперь полностью определя¬ются темной энергией, если ее свойства во вре¬мени остаются неизменными. Всемирное тяготе¬ние в межгалактических масштабах свое отыгра¬ло и больше не вернется. Теоретики рассматри¬вают уравнение состояния темной энергии при разных ее плотности и давлении. Если ее свой¬ства неизменны, уравнение состояния и/прирав-нивается к -1. Некоторые повороты теории до¬пускают пределы IV от 0 до -1, а наблюдения сверх¬новых указывают на величину, близкую к -1. Зна¬чения большие по абсолютной величине, скажем -1,1, приводят к появлению бесконечностей и ло¬гических бессмысленностей. Вряд ли это смуща¬ет природу, но теоретиков ставит в тупик.
В обзорной статье в упоминавшемся выпус¬ке журнала «Заепсе» грядущие события опи¬сывались весьма драматично, следующим сце¬нарием дальнейшей эволюции Вселенной. Ан¬тигравитация со временем все нарастает. Че¬рез несколько миллиардов лет она приступает к «Большому вспарыванию» ткани Вселенной. Сначала разрушаются скопления галактик, и под действием темной энергии они «выстре¬ливаются» из скоплений. В оптимистическом варианте это происходит примерно через 10 миллиардов лет (так что время у нас еще есть). Спустя несколько сотен миллионов лет после этого наша и другие галактики разлетаются на куски. Далее события все ускоряются. Распа¬даются планетные системы, планеты теряют связь с Солнцем. Разрушаются звезды и пла¬неты. Химические соединения распадаются на атомы, но и атомы теряют стабильность: ядра не могут удержать электроны. Под действием колоссальных давлений «вспарываются» про¬тоны и нейтроны... Примерно такие страсти звучали и в некоторых научно-популярных ста¬тьях и выступлениях, что вызвало у физиков-космологов, как было принято писать недавно, «гневное негодование». В их более реальном сценарии антигравитация мало что меняет в уже существующих галактиках, а тем более в Солнечной и других планетных системах. От антигравитации они защищены своей массой. Происходит же следующее: антигравитация действительно нарастает, что приводит ко все ускоряющемуся взаимному удалению галактик

и постепенному уходу их за горизонт Вселен¬ной. В этом смысле пространство становится все более и более пустым. Галактики на небе того далекого времени астрономы будут счи¬тать по пальцам. Но отбирать у нас Солнце (которому, кстати, до этой поры все равно не дожить) никто не собирается. Таков сценарий «Большого вспарывания» исходя из того, что о свойствах темной энергии известно сегодня. Но окончательный ли это сценарий?
ОН СЧИТАЛ ЛЯМБДА-ЧЛЕН САМОЙ БОЛЬШОЙ СВОЕЙ ОШИБКОЙ
Можно сказать, что Вселенной правит энер¬гия пустоты, которая вошла в космологию под маской лямбда-члена. Космологическая посто¬янная Эйнштейна вовсе не была «самой боль¬шой его ошибкой», как он говорил Гамову. И все-таки ее современный смысл стал иным. У Эйн¬штейна уравнение гравитационного поля свя¬зывало тензор кривизны пространства с рас¬пределением в нем энергии и материи через гравитационную постоянную Ньютона. Лямбда-член он поместил слева, как свойства про¬странства. Теперь физики перенесли его впра¬во. Здесь вакуум действует наравне с распре¬делением энергии и материи и представляет новую форму плотности энергии, многократно превосходящую все, что до сих пор было знако¬мо физике. Антитяготение превышает тяготе¬ние. Результирующая гравитация — это оттал¬кивание, а не притяжение. Лямбда-член опре¬деляет закон всемирного антитяготения и ус¬коряющееся расширение Вселенной. Остается добавить, что, если бы Эйнштейн не создал лям¬бда-член, он все равно появился бы в наши дни.
О чем в настоящей статье рассказано не будет, так это об уже созданных и создавае¬мых новых гипотезах о природе темной энер¬гии. Физики пытаются построить их как на клас¬сических началах, так и на дальнейшем разви¬тии принципов квантовой механики. Причем с учетом планковских квантов времени и про¬странства, существующих, по-видимому, ре¬ально. Длина планковского кванта простран¬ства в сантиметрах равна 32 нулям после за¬пятой перед единицей, а кванта времени, в секундах, —42 нулям после запятой перед еди-

ницей. Ни времени, ни длин короче их в приро¬де не бывает, что объясняет, например, пара¬докс бесконечной плотности в сингулярности. До Большого взрыва плотность в ней могла быть гигантской, но не бесконечной, а сингу¬лярность не могла быть меньше кванта объе¬ма (в кубических сантиметрах — 98 нулей пос¬ле запятой). События не могли быть короче кванта времени. Стараясь объединить прин¬ципы общей теории относительности и кван¬товой механики, физики разработали теорию струн и теорию петлевой квантовой гравита¬ции, конкурирующие в объяснении устройства мира. Найдет ли природа темной энергии свое объяснение в квантовой теории или же в тер¬минах классической физики, как это старался сделать Эйнштейн, покажет время.
ТЕМНАЯ ЭПОХА
Как ни удивительно, вскоре после Большого взрыва, через полмиллиона лет, началась эпо¬ха, когда во Вселенной было совершенно темно, пусто и холодно. Темная эпоха продолжалась при¬мерно 250 миллионов лет. Во Вселенной не было ни одной звезды, ни одной галактики. Если в нача¬ле Темной эпохи глаз человека еще мог бы заме¬тить тускло-красное равномерное свечение неба, то теперь темнота стала вездесущей. Простран¬ство было заполнено главным образом темной материей и реликтовым излучением, которое тог¬да было более коротковолновым (инфракрасным), соответствовало примерно 150 К (-120°С) и про¬должало остывать по мере расширения простран¬ства. Барионная материя составляла 1/10 тем¬ной и состояла из атомов водорода и гелия в про¬порции 4:1 по массе. Темная энергия практически никакой роли не играла. События Темной эпохи установлены с помощью расчетных моделей, по¬тому что ничего, кроме реликтового излучения, оттуда до нас не дошло. Но модели достаточно надежны; именно модели дают представление о природе Темной эпохи …

От цирк... Вместо того чтобы признать что "наши теории не объясняют наблюдаемую реальность", раздаются вопли типа "наблюдаемая реальность не наблюдается!!!"

говорится что мы наблюдаем 0,4% массы вещества во Вселенной. Еще 3,6% могут дать облака межзведной пыли и водорода. Остальные 96% - неизученная современной наукой форма материи и энергии

 

ИМХО, сплошная астроботаника. Небоскребы из бамбука. Слишком грубые у нас пока средства для изучения столь удаленных объектов.

S.I.> А что это за необычная материя? И можно ли её называть материей?

В настоящее время мифология (грубо и кратко) примерно такая:
Тёмная материя (dark matter) — материя, которую не видно, ибо она почему-то не светится. Основное назначение — дополнение массы галактик чтобы они не разваливались. В значительное мере костыль для теорий, т.к. сказать что "наши теории — ацтой" смелости не хватает.
Тёмная энергия (dark energy) — некая сущность, применяемая для объяснения ускоряющегося расширения вселенной. Основное применение — костыль для подпорки космологических теорий, разваливающихся под давлением некоторых астрономических наблюдений. Всё очень сыро и спекулятивно даже по сравнению с тёмным веществом.

2 au
Т.е. на самом деле теории просто нет. Ну дык 'пушки к бою едут задом'(с) Твардовский. Не хватает пока инфы, значит.

Да теорий как раз полно. Только с объяснением реальности у них напряг хронический — то тёмная материя нужна, то тёмная энергия, то многочисленные вселенные, и прочее такое.

От еще одно опровержение основ НАСА может погубить ключ к секрету "Пионера"

Это просто загадка, а не "опровержение основ". У таких загадок порой случаются до стыда прозаические разгадки

Serg Ivanov, 28.06.2005 21:36:32:

НАСА может погубить ключ к секрету "Пионера"

 

А у этой фразы оказывается два смысла!

Читал в старой "Науке и Жизни" теорию о том, что тёмноё вещество - устойчивая кварковая материя. Что по этому поводу думаете?


>В обзорной статье в упоминавшемся выпус¬ке журнала «Заепсе»

Хорошее название у журнала