Пустое пространство имеет больше энергии, чем все во Вселенной, вместе взятые

Когда вы смотрите на Вселенную, за объекты в нашей собственной солнечной системе, за звезды, пыль и туманности в нашей собственной галактике и в пустоту межгалактического пространства, что вы видите?

Да, в нашей собственной галактике есть множество замечательных вещей, но мы всего лишь одна из по крайней мере 200 миллиардов, разбросанных по сферической области (видимой для нас) диаметром около 92 миллиардов световых лет.

То, что мы обычно считаем вся наблюдаемая Вселенная состоит из этих сотен миллиардов галактик, около 8700 из которых идентифицированы в крошечном пятне глубокого неба, показанном выше. Каждая из этих галактик сама по себе содержит сотни миллиардов звезд, как и наш Млечный Путь, и это только подсчет той части Вселенной, которую мы наблюдаем в настоящее время, а это ни в коем случае не вся!

И все же, если мы нанесем на карту все, что известно во Вселенной, и проследим космическую структуру, мы обнаружим, что нормальная материя — вещи, состоящие из всех известных элементарных частиц — составляет менее 5% от общей плотности энергии Вселенной. . Должно быть около 20-25% Вселенной в виде темной материи, типа комковатой, бесстолкновительной материи, состоящей из еще не обнаруженных частиц, чтобы получить тип скопления, который мы наблюдаем.

Но, пожалуй, самое странное, что оставшаяся энергия Вселенной, материал, который требуется, чтобы довести нас до 100%, — это энергия, которая кажется присущей самому пустому пространству: темная энергия.

Чуть больше года назад Мэтт Фрэнсис провел «Карнавал космологии», посвященный темной энергии, и — как это часто бывает — посыпались вопросы к космологам со всего мира. Так что же вы хотели узнать об этом более чем двух- трети всей энергии Вселенной?

Посмотрим, чему мы можем научиться!

«Откуда берется темная энергия в расширяющейся Вселенной? Кажется, это нарушает законы сохранения энергии». –Ричард Лэтэм

Это хороший вопрос: если есть внутренняя энергия в космос, и он расширяется (и, следовательно, освободив место), не нарушаем ли мы закон сохранения энергии? Кажется, что мы могли бы быть, как будто мы просто создаем энергию там, где ее раньше не было.

Но значит ли это, что энергия не сохраняется и в расширяющейся Вселенной с излучением в ней?

Ведь это не просто случай, когда излучение разбавляется по плотности по мере увеличения объема Вселенной; излучение также становится меньше энергии поскольку расширение Вселенной растягивает ее длину волны.

Это твой инстинкт, и я не могу винить тебя за него. Но общая теория относительности немного тоньше. Ответ нет в обоих случаях. Темная энергия имеет не только плотность энергии: она также имеет отрицательное давление со специфическими свойствами, а излучение имеет не только плотность энергии, но и положительный давление со своими специфическими свойствами. Поскольку давление вашего источника энергии выталкивается наружу (для темной энергии; внутрь для положительного давления излучения) в пространстве, оно совершает отрицательную работу (положительную работу для излучения) во Вселенной. Работа, которую он делает, точно равны к изменению массы/энергии любого участка пространства, на который вы смотрите. Итак, пока вы принимаете во внимание это определение работы в своей Вселенной, вы можете определять энергию таким образом, чтобы она сохранялась.

«В статьях о природе темной энергии я часто встречаю упоминание «квинтэссенции» как одного из возможных вариантов.Я никогда не видел никакого объяснения того, что это будет. В моем нынешнем состоянии знаний это слово могло бы быть и «волшебством». Предполагая, что это законно (т. е. не ручная волна или эфирный редукс), можете ли вы дать нам некоторое представление о том, что это такое?» –анатман

Давайте немного вернемся назад и сначала объясним «темную энергию». Когда физики говорят «темная энергия», мы имеем в виду, что мы наблюдаем равномерное ускоренное расширение Вселенной, а в физической космологии причина этого — однородная плотность энергии с достаточно отрицательным давлением.

Простейшая модель, которая лучше всего соответствует данным, состоит в том, чтобы темная энергия была тем, что Эйнштейн назвал космологической постоянной, где давление точно равно отрицательному значению плотности энергии, умноженному на квадрат скорости света [P = – ρ c^2]. Это на 100% соответствует лучшим данным, которые мы имеем сегодня из всех источников. Но это может быть что-то более сложное: темная энергия может зависеть от времени, ее давление может не удовлетворять приведенному выше уравнению в точности, у нее может быть константа, умножающая это (в настоящее время ограниченная между 0,88 и 1,12) и т. д. В общем , он может вести себя как угодно Другой чем это, что вы можете себе представить. Большой класс моделей, которые мы можем себе представить (параметризованных скалярным полем, если вам небезразлична эта деталь), известен как квинтэссенция.

Они могут быть забавными (для некоторых) игрушками, но пока нет доказательств того, что темная энергия требует большей сложности, чем самое простое и естественное объяснение: космологическая постоянная.

«По вашему мнению, сколько времени и достижений в области технологий, по вашему мнению, потребуется, чтобы понять темную энергию, помимо простого наблюдения за ее влиянием на расширение Вселенной?» –Джеймс Г.

«Есть ли известная (или предполагаемая теорией) связь между темной энергией и фундаментальными частицами?» –Эрол Джан Акбаба

«Есть ли какое-нибудь правдоподобное экспериментальное объяснение темной энергии? Любой разумный способ, будь то на земле или, по крайней мере, в масштабах Солнечной системы, напрямую взаимодействовать с чем бы то ни было? –Майкл Келси

Ответ на эти вопросы полностью зависит от того, связана ли темная энергия фундаментально с частицей или нет. Если это так, то все, что потребуется, — это достаточно мощный коллайдер, чтобы создать эту частицу, и способ выделить «недостающую энергию», которая исходит от таких вещей, как нейтрино.

Но большинство моделей темной энергии, включая модель космологической постоянной, не есть частица, связанная с ним. Если темная энергия не есть частица, связанная с управляющим ею полем, наши перспективы гораздо более пессимистичны. Помните, что в большинстве моделей темной энергии (во всяком случае, тех, которые не исключены наблюдениями) она не сгущается, не группируется и не взаимодействует с чем-либо. Другой чем расширение пространства. Иными словами, я даже не могу представить, как узнать больше о темной энергии непосредственно в таких обстоятельствах, учитывая физику, которую мы в настоящее время знаем.

«Как предыдущий пост о том, что Вселенная настолько плоская, плоская, что в это могут входить триллионы лет расширения?» -Дэйв Делл

Кривизна и плотность энергии очень тесно связаны в космологии: вы измеряете скорость расширения (что позволяет вычислить критическую плотность Вселенной), вы измеряете плотность энергии всех различных форм энергии, а затем сравниваете эти два значения, чтобы определить кривизна. Насколько могут судить наши измерения, фактическая средняя плотность энергии Вселенной, включая темную энергию, неотличима от критической плотности, и поэтому кривизна нашей Вселенной неотличима от плоской.

«Может ли темная энергия быть последней стадией света? В старшей школе я узнал (если мне не изменяет память), что по мере того, как свет путешествует и расширяется, он перемещается дальше по спектру и что Вселенная заполнена космическим микроволновым фоновым излучением. Может ли темная энергия быть тем излучением?» –Джордан Брук

Я хотел бы, чтобы это было возможно. Излучение — в данном случае в виде фотонов — в общем случае представляет собой безмассовую частицу, движущуюся со скоростью света. К сожалению, это невероятно хорошо изучено, оно вносит вклад в скорость расширения Вселенной, но замедляет расширение, и имеет положительное, а не отрицательное давление. Это относится к все формы излучения, включая любые безмассовые частицы, движущиеся со скоростью света, а также массивные частицы, движущиеся очень близко к ней. Так что, хотя она существует и способствует скорости расширения, она не является причиной темной энергии. Если говорить более технически, то для излучения P = +1/3 ρ c^2.

С другой стороны, темная энергия на самом деле вызывает красное смещение излучения. Быстрее чем во Вселенной без темной энергии. Так что в нашей Вселенной присутствие темной энергии на самом деле делает космическое микроволновое фоновое излучение немного слабее. меньше важнее для судьбы Вселенной, чем Вселенная без него!

«Причина, по которой мне трудно принять Темную Энергию, заключается в том, что я понятия не имею, о чем я вообще должен думать. Как сказал анатман, это похоже на такое «Абра Кадабра!» и пуф, на моем тесте по физике появляется F».
–Донован, поддержанный Джеффом

Однажды у меня был (очень капризный) физик, который описал темную энергию как

«Самый большой F U, который могла бы дать нам Вселенная».

Хотя я не совсем согласен, я симпатизирую этой точке зрения. Возможно, лучший способ относиться к ней — думать о ней как о жидкости, которая постоянно пронизывает все пространство. Поскольку Вселенная расширяется, создавая больше пространства, новое пространство имеет те же свойства, что и старое.Во фразе «космологическая постоянная» постоянный часть относится к плотности энергии или к тому факту, что, в отличие от частиц материи и излучения, темная энергия не разбавляется по мере эволюции Вселенной. Это свойство, присущее самому пространству, и насколько Почему идет, мы не уверены. Это может быть неудовлетворительно, но это то, что говорят нам математика и физика, и на данный момент это лучшее, что у меня есть.

«Почему это называется темной «энергией»?» –Джеффри Бозер

Энергетическая часть меня не беспокоит так сильно, как «темная». Энергетическая часть связана с тем, что это внутренняя энергия пространства — энергия нулевой точки — которая на самом деле имеет положительный, не-нулевое значение. Я бы предпочел называть ее «энергией вакуума», потому что это энергия, присущая пустому пространству или, возможно, квантовому вакууму. Но этот чувак сказал «темная энергия» еще до того, как кто-то узнал, кто я такой, потому что это, казалось, хорошо согласовывалось с нашей концепцией «темной материи». Теперь все его так называют, и большинство из нас тоже ненавидит это имя. Вот твой облом ответа.

«Если Вселенная ускоряется, то где равная и противоположная реакция?»
–Бобби ван Деусен для своего 14-летнего сына Джека.

Верьте или нет, ответ заключается в самой «темной энергии»! Помните, что ускоренное расширение — это не то же самое, что темная энергия; одно явление, а другое форма энергии. Ускоренное расширение Вселенной – это реакция, а темная энергия — это то, что ее вызывает, то, что совершает работу в нашем пространстве-времени, и сама является действие. Если бы во Вселенной была темная энергия и не было ускорения, или было бы ускорение без темной энергии, тогда у нас возникла бы проблема. Но у нас есть одно, потому что у нас есть другое, и на самом деле так мы знать у нас есть темная энергия.

«Является ли темная энергия фундаментальной силой природы?» –Джон

Насколько мы можем судить, это нет отдельная сила, как электромагнетизм, слабое взаимодействие или сильное взаимодействие.Это часть силы гравитации, и изначально она даже была предсказана общей теорией относительности. Гравитация могла существовать с Любые значение космологической постоянной, включая ноль, но наша Вселенная, по-видимому, имеет одно конкретное значение, которое она имеет. Относительно Почему она имеет такую ​​ценность… ну, прикинь, и Нобелевская премия по физике твоя! Как бы то ни было, это не дополнительная сила, а всего лишь один из аспектов общей теории относительности, обладающий определенными свойствами.

Большая разница, как вы помните, заключалась в том, что давным-давно предполагаемый эфир был вещь что свет должен пройти через. Это была среда, физическая субстанция, которую можно было перетаскивать и модифицировать относительно универсальной системы покоя. Когда свет проходил через него, в зависимости от его направления и ориентации эфир воздействовал на него по-разному.

Путешествуйте по Вселенной с астрофизиком Итаном Сигелом. Подписчики будут получать информационный бюллетень каждую субботу. Все на борт!

За исключением скорости расширения Вселенной, ничего такого мы можем измерить, было бы иначе, если бы не темная энергия. Не свет, не гравитационные волны, не движение планет или звезд. Хотя темная энергия, по-видимому, имеет одну общую черту со старым светоносным эфиром — она пронизывает все пространство, равномерно и везде — у нее нет ни предпочтительной системы отсчета, ни она не требуется в качестве среды для того, чтобы через нее что-либо перемещалось.

По крайней мере, насколько мы смогли наблюдать на сегодняшний день.

«Создается ли эта новая темная энергия, достаточно сильная, чтобы преодолеть гравитационное притяжение между галактиками?» –БиллК

Мы живем прямо сейчас либо в очень интересное, либо в очень отвратительное время, в зависимости от вашей точки зрения. С одной стороны, гравитация все еще работает в полную силу, и все массы гравитационно притягиваются ко всем другим массам во Вселенной. С другой стороны, существует внутренняя темная энергия, «отталкивающая» вещи, которые расширяются друг от друга, чтобы ускориться и уйти друг от друга. даже быстрее.

В этот момент времени все, что уже гравитационно связано друг с другом, включая нас и нашу местную группу, а также все отдельные галактики в большом скоплении (как Геркулес, выше) — останется таким; темная энергия будет проигрывать гравитации в этих масштабах. Но в более крупных масштабах те группы и кластеры, которые еще не связаны друг с другом никогда не станут такими и будут ускоряться друг от друга по мере того, как Вселенная будет продолжать расширяться. Это означает, что в нашем лесу находится местное сверхскопление — сверхскопление Девы, частью которого мы являемся. нет единое, гравитационно связанное существо, и мы никогда не попадем в скопление галактик Девы, как и многие другие более крупные и близкие группы. Одна группа, которая мощь Есть шанс быть связанным с нами, это группа M81 — родина ближайшей к нам сверхновой за поколение — хотя она будет очень близкой, и ответ по-прежнему «вероятно, нет».

«Мой вопрос в основном заключается в том, зачем нужен DE? Вся Вселенная может оставаться однородной и изотропной в самом большом масштабе, но иметь флуктуации в малом масштабе». –Синиса Лазарек

Если бы то, что мы наблюдаем как «темную энергию», было просто флуктуацией — результатом того, что наша наблюдаемая Вселенная имеет плотность, отличную от плотности большей части Вселенной, — мы бы отклонялись примерно на 10 000 сигм от того, что мы обычно ожидаем. Вероятность того, что это произойдет, примерно равна вашим шансам сыграть «1, 2, 3, 4, 5, 6» и выиграть в лотерею каждую неделю подряд на протяжении всей вашей жизни.

Другими словами, маловероятно, чтобы мы даже не рассматривали это как разумную возможность. Если это является объяснения, также нет абсолютно никакого способа выяснить это наблюдательным или экспериментальным путем, что делает его физически неинтересным для загрузки.

И, наконец, последний…

«Почему меня должно волновать, существует ли темная энергия или это просто интеллектуальное упражнение. ака «Что в этом для меня?» –Норма Парфит

Видите все эти вещи в ночном небе? Все за пределами звезд в нашей собственной галактике? Через несколько миллиардов лет мы сольемся с Андромедой, единственной крупной галактикой в ​​нашей местной группе, и наша объединенная гигантская эллиптическая галактика в конце концов поглотит скромную галактику Треугольника, а затем оставшиеся карликовые галактики, вращающиеся вокруг нас, а затем все, что у нас будет за пределами нашей собственной галактики, это пустая, темная, межгалактическая пустота. На приведенном выше изображении, если я удалю все галактики так же, как темная энергия, мы оставим только звезды переднего плана нашей собственной галактики.

Потому что благодаря темной энергии, все этого — любая другая галактика, группа, скопление и сверхскопление галактик — будут исчезнуть из нашей наблюдаемой Вселенной. Это неизбежная судьба всей нашей Вселенной. Так что в этом для вас? Возможность познать Вселенную, как она есть сейчас и как она не будет быть через триллион лет.

На самом деле, если бы люди впервые появились на сцене через триллион лет, мы бы никогда не узнали о космическом микроволновом фоне, о далеких галактиках, скоплениях и не увидели бы ни одной «спиральной туманности» ночью. небо. Потому что темная энергия ускорит этовсе прочь. Даже Дева, ближайшая к нам большая коллекция галактик, исчезнет из поля зрения.

И если это вас не волнует, я не знаю, что будет. Хотя я бы хотел, чтобы мы лучше поняли ее природу, это наша Вселенная, полная темной энергии, какой мы ее знаем сегодня. Наслаждайтесь этим, пока оно длится, потому что здесь становится только еще более одиноко!

Ранняя версия этого поста первоначально появилась в старом блоге Starts With A Bang на Scienceblogs.