che писал(а): В прочем -- в отношении Глинера, возможно я не прав -- с его работами знаком поверхностно.
ПОЧЕМУ РАСШИРЯЕТСЯ ВСЕЛЕННАЯ?
К 90-летию Э.Б. Глинера
В 1965 г. Эраст Борисович Глинер, выпускник Ленинградского университета, незадолго до
того принятый в Теоретический отдел Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе АН СССР
(Физтех), опубликовал в одном из лучших физических журналов страны, Журнале
Экспериментальной и Теоретической Физики (ЖЭТФ), статью под названием "Алгебраические
свойства тензора энергии-импульса и вакуумоподобное состояние вещества". В этой статье
была дана физическая интерпретация космологической постоянной Эйнштейна и выдвинута
гипотеза о физической природе Большого Взрыва. По Глинеру, вначале во Вселенной был
вакуум, описываемый космологической постоянной. Из первичного вакуума рождалось вещество
и оно расширялось под действием антигравитации вакуума. Так возникло наблюдаемое
космологическое расширение.
Инфляция, или раздувание
Идею Глинера сразу же оценили Лев Эммануилович Гуревич, его научный руководитель в
Физтехе, и Андрей Дмитриевич Сахаров. В книге "Воспоминания" Сахаров пишет о своих
первых (1965 г.) космологических работах: "В одном из рассмотренных мною гипотетических
уравнений состояния плотность энергии при стремлении плотности вещества к бесконечности
стремится к постоянной величине. То есть в пределе плотность энергии не зависит от
плотности вещества. Давление при этом отрицательно, вещество растянуто. Такое уравнение
состояния приводит к расширению Вселенной по закону показательной функции. Независимо, и
с большей определенностью, о том же писал в те же годы Глинер." ( Журналы "Знамя", 1990;
"Наука и Жизнь", 1991.)
В 1965-80 гг. идею первичного вакуума развивали и сам Эраст Борисович, и Ирина
Гавриловна Дымникова (Физтех), Л.Э. Гуревич, Алексей Александрович Старобинский
(Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау). С начала 1980-х гг., после работ Алана
Гута и Андрея Линде, увлечение этой идеей постепенно приняло массовый характер и в
результате возникло и продолжает разрастаться до сих пор широкое направление в
космологии, получившее название "инфляция" (по предложению Гута), или "раздувание" (как
предпочитает говорить Э.Б.). Теоретиками инфляции предложены сотни, а то и тысячи,
различных космологических сценариев, то есть эволюционных схем, в рамках которых могла
бы - в принципе - реализоваться картина, впервые намеченная в общих чертах Глинером.
Некоторые из сценариев необычайно изобретательны по замыслу и конструкции; другие
отличаются изящным описанием мельчайших математических подробностей; третьи сочетают в
себе и то и другое. В русле инфляционного движения не заметно "борьбы идей", все дружно
расширяют пространство теоретически допустимых возможностей, обильно цитируя друг друга.
Тёмная энергия
Главная Глоссарий Математические вычисления и доказательства
В 1998-99 гг. две международные группы астрономов-наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райес, а другой - Сол Перлмуттер, сообщили, что космологическое расширение происходит с ускорением. Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Это темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение.
Темная энергия темна, по крайней мере, в двух смыслах. Во-первых, она невидима - не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.
И тем не менее с темной энергией, как мы увидим, вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы минимальные, о ее свойствах. Простейший из обсуждающихся сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной (лямбда). Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном в 1917 г., когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое физическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу... отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор - всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.
Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская
физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения - без нее теория не допускала бы статичности мира.
В 1922 г. Фридман доказал, что уравнения общей теории относительности - даже при наличии в них космологической константы - допускают не только статические модели, но и модели с эволюцией, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Если эйнштейновская константа положительна по величине, то теория Фридмана (в ней эта константа с самого начала предусмотрительно учитывалась) может описывать не только космологическое расширение с замедлением, но и космологическое расширение с ускорением. Основанная на таком подходе глобальная космологическая модель очень хорошо согласуется с наблюдаемым сейчас феноменом ускоряющегося космологического расширения.
Спустя четыре десятилетия, в 1965 г., Э.Б. Глинер, работавший тогда в ленинградском Физтехе, заметил, что по своей роли и месту в общей теории относительности космологическая постоянная соответствует некоторой сплошной среде, которая строго равномерно заполняет все пространство Вселенной и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Связь плотности этой среды с эйнштейновской космологической постоянной Л такова:
pV = c^2 Л /8пи G
Здесь c и G - скорость света и гравитационная постоянная. Мы записали здесь "массовую" плотность, то есть массу, приходящуюся на единицу объема. Как известно, масса и энергия связаны между собой знаменитой формулой E = mc2; чтобы пересчитать плотность массы на плотность энергии, нужно умножить первую на c2.
Эта среда весьма необычна: ее плотность ρV положительна, а давление pV отрицательно, причем по абсолютной величине давление равно плотности (эти две физические величины имеют одинаковую размерность):
ρVc2 = -pV.
Связь между давлением и плотностью среды называют ее уравнением состояния. Как первым указал Глинер, записанное выше уравнение состояния характерно для физического вакуума. Такое и только такое уравнение состояния удовлетворяет определению вакуума как среды, относительно которой движение и покой неразличимы. Это и только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, - и притом в любой системе отсчета.
Мы будем называть эту особую космическую среду вакуумом Эйнштейна-Глинера и считать, что открытая астрономами темная энергия - это энергия вакуума. (Буква V, которой мы снабдили выше плотность и давление, и означает вакуум.) Кроме ясности и простоты, такая интерпретация привлекательна еще и в том - самом важном, в действительности, - отношении, что наблюдения, в которых темная энергия была открыта, полностью с нею согласуются. По данным на сегодняшний день, отношение давления темной энергии к ее плотности энергии составляет -1±0.1. Похоже, что иные, более сложные и, в общем, произвольные варианты интерпретации темной энергии постепенно вытесняются наблюдениями.
Стоит заметить, что отрицательное давление, с которым мы встречаемся в уравнении состояния вакуума, - не вполне обычное явление в физике. При "нормальных условиях" давление в "нормальной" жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта парохода) и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же равно - по абсолютной величине - его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.
О вакууме в физике говорят давно, с 1920-х годов, когда возникла
квантовая механика. Из этой науки вытекало, в частности, что у всех полей и частиц природы имеется состояние минимальной энергии, которое и называется вакуумом. Вакуум - не пустота, и минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равна нулю. Физический вакуум обладает определенной энергией, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления. Однако пока не установлено, действительно ли вакуум Эйнштейна-Глинера тождествен вакууму физических полей.
