Наш земной шарик... над обрывом!

Друзья!

Мы живем в опасной  и не познанной еще Вселенной. Планета Земля- даже не как атом, но как мельчайшая его частица  среди миллиардов и миллиардов галактик и галактических скоплений. И она постоянно находится  на испытании Высшими Силами! Не выдержим трудного экзамена- погибнем!
Из «Космологических записей Е.И.Рерих»: «…Скоро Небосклон изменится. Наша Солнечная Система обогатится Новой Планетой, которая движется из-за Веги по направлению к нашей Земле. На своем близком прохождении от Сатурна она вызовет на нем мощные взрывы, которые нарушат его ход. Сатурн будет выбит из своей орбиты и лишен своего блестящего кольца. В силу взрыва некоторые Луны превратятся в осколки аэролитов или же унесутся в пространство, где будут, может быть, поглощены или притянуты новыми телами.
Сатурн уйдет из нашей Солнечной Системы, и Новая Планета осядет или найдет точку равновесия между Землей и Венерой, но будет ближе к Солнцу, нежели наша Земля. Тяжкое воздействие Сатурна на нашу Землю прекратится с его уходом из нашей Солнечной Системы. Земля оявится под благодетельными лучами Новой Планеты Урусвати.
Отмечена, зарекордирована новая опасность для нашей Солнечной Системы. Из Пространства на очень далеком расстоянии от нашей Земли движется в нашем направлении гигантская Комета, своим блеском, размерами и красотою тонов во много раз превышающая все до сих пор известные нам кометы. Красота и блистания ее зависят от сцепления ядовитых газов, которые на своем продвижении могут отравить целые миры и системы миров. Это гигантское скопление движется тоже как бы в нашем направлении и через многие тысячелетия может достичь пределов нашей Системы и отравить всю жизнь на огромной периферии. Конечно, на своем прохождении и соприкасании с различными химизмами Пространства этот чудовищный конгломерат ядовитейших газов может подвергнуться новым химическим воздействиям и изменить свой состав и даже нарушить свою целостность.
Не все кометы становятся Солнцами. Бесчисленные множества их поглощаются большими Солнцами. Те из них, которые обладают более твердым ядром, имеют больше шансов найти точку опоры и равновесия и осесть как Солнца.
Луна уявляет Земле трудную волну, из-за уявленного ей нового разложения происходит умирание всякой жизни на ней. Луна, как гальванизированный труп. Луна уявляется на ускорении разложения из-за отравления земной атмосферы ядовитыми газами от взрывов военных снарядов. Такая отрава действует губительно.
Ярая опасность уявлена скоплением страшных ядовитых газов в нашей атмосфере от взрывов военных снарядов.
Космическая Справедливость действует не нашими измерениями. Она устраняет то, что уявляет несоответствие с ходом космической эволюции или гармонии.
Гигантская Комета угрожает опасностью многим мирам и даже Системам. Опасность грозит и нашей Земле, но опасность не от газов, но от неизвестного нам их происхождения. Такая опасность может уявить гибель всей жизни на Земле, и потому Мы должны усилить Наш Дозор и уявиться на исследовании новой опасности.
Гигантская Комета уявлена как Космический Знак, грозный и прекрасный. Но она может уявиться как Вестник конца нашего Мира.
Ярое скопление газов может уявиться и благодетельным, но неизвестная опасность может уявить некоторое откровение, когда Комета приблизится на расстояние, необходимое для такого исследования ее. Но эта Комета станет видима на нашем горизонте только через многие столетия.
Энергия с дальних миров, примененная на Земле, могла бы уявиться гибельною, тогда как на своей планете она уявляется как энергия укрепляющая и питающая нервную систему обитателей ее.
Гибель Планеты уявляется от лени и неподвижности сознания ее человечества. Гибель Планеты утверждается из-за отсутствия устремления к высшим вибрациям, идущим от высших сфер. Гибель Планеты утверждается из-за отсутствия сотрудничества с дальними и высшими мирами». «Космологические записи Е.И.Рерих». https://roerich-lib.ru/
…Такая вот нерадосная первсекти

*****************
1.Космология: открытия и загадки
Космология – особая наука. Ее предмет – вся Вселенная, рассматриваемая как единое целое, как физическая система с особыми свойствами, которые не сводятся к сумме свойств населяющих ее астрономических тел и физических полей. Размеры наблюдаемой Вселенной приблизительно 10 миллиардов световых лет. Это самый большой по пространственному масштабу объект науки. К тому же он существует в единственном экземпляре. В этом отношении космология, очевидно, сильно отличается от других естественнонаучных дисциплин. Но, как и в любой науке, главное в космологии – надежно установленные факты, достоверные сведения о реальных объектах, процессах и явлениях. В статье известных российских астрофизиков рассказывается о четырех крупнейших открытиях в космологии и трудных загадках этой науки – как старых, так и совсем свежих, которые еще предстоит разрешить
Чем дальше, тем быстрее
Современная космология берет начало в первые десятилетия ХХ века. В 1915—1917 гг. американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что галактики (которые тогда называли туманностями) не стоят на месте, а движутся в пространстве, причем большинство из них удаляются от нас. Этот вывод следовал из наблюдений спектров галактик: их движение проявляло себя в сдвиге спектральных линий к красному концу спектра.
Такого рода красное смещение, которое можно интерпретировать как давно известный в физике эффект Доплера, имеет, как впоследствии оказалось, всеобщий характер: оно наблюдается у всех галактик во Вселенной. Исключение составляют только самые близкие к нам звездные системы, например, знаменитая туманность Андромеды и другие (менее крупные) галактики, находящиеся на расстояниях, не превышающих примерно 1 мегапарсек (1 Мпк - 3,26 млн световых лет). Если расстояния больше 1 Мпк, то галактики, по выражению Слайфера, «разбегаются в пространстве».
Вселенная – мир галактик. На этом снимке красивого скопления в созвездии Персея видно множество галактик разных размеров и форм, возраста и цвета. Некоторые из них выглядят мелкими расплывчатыми пятнами, но каждая представляет собой огромную звездную систему, которая содержит десятки и сотни миллиардов светил, похожих или не очень на нашу собственную звезду – Солнце. Самые маленькие и слабые пятнышки на фото – это наиболее далекие галактики, некоторые из которых находятся вблизи границ видимой Вселенной. Свет от них идет миллиарды лет, так что мы наблюдаем их такими, какими они были миллиарды лет назад. Фото Ж.-Ш. Куилландра, Д. Ансельми
В 1929 г. другой американский исследователь, Эдвин Хаббл, которого нередко называют величайшим астрономом ХХ в., определил, что движение разбегающихся галактик следует простому закону: скорость V удаления от нас галактики пропорциональна расстоянию R до нее: V = H R. Это соотношение между скоростью и расстоянием называют сейчас законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности H – постоянной Хаббла. Величина H постоянна в том смысле, что она одинакова для всех галактик и не зависит ни от расстояния до галактики, ни от направления на нее на небе. По современным данным, значение постоянной Хаббла лежит в пределах от 60 до 75 км/с на мегапарсек.
Эдвин Хаббл (1889—1953), Астроном Обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, Наблюдал галактики с помощью самого мощного в его время Телескопа Диаметром 2,5 м. В 1929 г. он установил количественную закономерность в Явлении Разбегания Галактик (Закон Хаббла)
Удаление галактик по закону Хаббла наблюдают сейчас вплоть до расстояний в несколько тысяч мегапарсек. Если галактика находится на расстоянии, скажем, 1000 Мпк, то она движется от нас прочь со скоростью 60—75 тыс. км/с. Это огромная скорость, которая лишь в 4—5 раз уступает скорости света. Всеобщее разбегание галактик — самый грандиозный феномен природы.
На рисунке вверху условно изображен оптический эффект Доплера. Это изменение длины волны света, испускаемого источником, который движется по отношению к наблюдателю. Для удаляющегося источника длина волны увеличивается, т. е. свет «краснеет». В астрономии относительное увеличение длины волны излучения z = ??/? (как и само явление) называют красным смещением. Обнаруживают его по сдвигу спектральных линий (на рисунке справа). При малых красных смещениях (z << 1) справедлива приближенная формула V = c z. Здесь V – скорость источника, с – скорость света, равная 300 000 км/с
Открытия Слайфера и Хаббла, а также дальнейшие исследования заложили наблюдательную основу, на которой строится и развивается вся современная космология. Мы знаем теперь, что живем в огромном мире, который к тому же расширяется со временем. Расширение началось около 14 млрд лет назад; этот гигантский промежуток времени и считается возрастом мира. А событие, которое породило космологическое расширение, называют Большим Взрывом.
Но какова физическая природа Большого Взрыва? Откуда взялись у галактик огромные скорости разбегания? Что заставило их стремительно удаляться друг от друга? На эти вопросы не смогли ответить ни знаменитые астрономы-наблюдатели, основатели космологии, ни великие физики, начиная с Эйнштейна. Нет ответа на них и у космологов наших дней. Возможно, это самая трудная и самая не поддающаяся разрешению загадка из когда-либо возникавших в естественных науках. Мы не знаем, с чего, собственно, началось космологическое расширение, не имеем представления о физике, которая могла бы за этим стоять. Не известно даже, как нужно ставить задачу о причине космологического расширения. Тем более ничего нельзя сказать о том, что было до этого события, и даже не вполне понятно, что значит здесь «до».
И тем не менее сама возможность расширения мира была предсказана русским математиком Александром Фридманом, классиком мировой науки. Пользуясь теорией Эйнштейна, Фридман разработал в 1922—1924 гг. физико-математическую модель мира, который находится в состоянии общего расширения. Прямым следствием этой модели является закон пропорциональности скорости и расстояния, который и был открыт в наблюдениях Хаббла. Космологическая модель Фридмана – теоретическая база современной космологии. Эта модель в сочетании с данными астрономических наблюдений очень хорошо описывает динамику космологического расширения. Конечно, не с «самого начала», о котором ничего не известно. Но замечательно, что теория Фридмана справедлива сразу же после первой секунды космологического расширения. Кроме этой первой секунды, вся дальнейшая история мира нам известна; более того, эта теория говорит и о будущем Вселенной: она предсказывает, что космологическое расширение будет продолжаться неограниченно долго.
Лишний вес Вселенной
В 1933 г. швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки заметил, что кроме светящегося вещества галактик во Вселенной должны быть еще невидимые, «скрытые» массы, которые проявляют себя только своим тяготением. Он изучал скопление галактик Кома в созвездии Волосы Вероники – крупное образование, содержащее тысячи звездных систем, подобных туманности Андромеды или нашей Галактике. Галактики движутся в этом скоплении со скоростями, достигающими 1000 км/с. Чтобы удержать их в объеме скопления, требуется тяготение, которое не способны создать одни только видимые, светящиеся массы самих галактик. Для этого необходимо более сильное тяготение, и, согласно подсчетам Цвикки, требуются дополнительные массы, которые примерно в 10 раз больше суммарной видимой массы галактик скопления.
Закон Хаббла связывает простым соотношением скорость V галактики и расстояние R до нее: V = H R. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Коэффициент пропорциональности H – постоянная Хаббла; ее значение соответствует увеличению скорости разбегания на 60—75 км/с на каждый мегапарсек расстояния
Позднее, в 1970-х гг., усилиями астрономов СССР и США было обнаружено, что скрытые массы должны присутствовать не только в скоплениях галактик, но и в изолированных крупных галактиках. Яан Эйнасто, Вера Рубин, Джеремайя Острайкер, Джим Пиблс и их коллеги выяснили, что скрытые массы образуют невидимые гало галактик. Дело в том, что можно измерить зависимость скорости вращения спиральных галактик от расстояния до центра (кривая вращения), которое прослеживается как внутри звездной системы, так и вне ее (по движению облаков нейтрального водорода). В области вне видимого диска галактики кривая вращения становится, как правило, плоской, т. е. практически не зависит от расстояния. Во всех случаях ход этой «плоской» зависимости указывает на присутствие скрытой материи и внутри звездной системы, и вне ее, причем масса невидимой материи в гало в 3—10 раз больше массы галактики.
Эти гало имеют почти сферическую форму, их радиусы в 5—10 раз превышают размеры самих звездных систем. Такие крупные галактики, как, скажем, туманность Андромеды или наша Галактика, состоят из звездного диска, погруженного в распределение невидимой массы, которое простирается на расстояния до 100 кпк. Эти темные гало, как и дополнительные массы у Цвикки, проявляют себя исключительно тяготением. Невидимое вещество, наполняющее гало галактик и скоплений, принято сейчас называть темной материей.
Другие интересные эмпирические данные, подтверждающие существование темной материи, связаны с эффектом гравитационной линзы. Скопления галактик создают эйнштейновский эффект отклонения света полем тяготения. Источником света служат в этом случае далекие галактики и квазары. Изображения галактик искажаются при прохождении их света в гравитационном поле скопления, служащего своеобразной гравитационной линзой. Различают сильное и слабое линзирование. При сильном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Это происходит, когда угловое расстояние между линзой и источником относительно невелико. При сравнительно больших угловых расстояниях искажение не так значительно (слабое линзирование), и оно сводится к изменению видимой формы источника, но уже без дробления его изображения. В обоих случаях этот эффект дает указание на массу скопления, служащего гравитационной линзой. Изучая такие искажения для сотен тысяч и миллионов далеких галактик, можно получить сведения о величине и распределении массы в скоплениях-линзах. Наблюдения такого рода неизменно указывают на то, что скопления содержат большие скрытые массы.
Наблюдаемые локальные (в системе центра масс) скорости галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить тяготением только видимой, светящейся материи. Для удержания их в объеме скопления требуются дополнительные, «скрытые» массы, которые на порядок превосходят видимую массу самих галактик. Сказанное относится и к вращению крупных галактик, таких, например, как туманность Андромеды. Невидимое вещество, наполняющее сферические гало галактик и скоплений, принято называть темной материей
Открытие темной материи – второе (после открытия космологического расширения) важнейшее событие в истории космологии. Обычное вещество, из которого состоит планета Земля (и все, что на ней, включая и нас самих), Солнце, другие звезды, складывается всего из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. А темная материя, которой во Вселенной гораздо больше, имеет совсем другой состав: это не барионы (протоны и нейтроны), не электроны, а… неизвестно что.
Темная материя может заявлять о себе, деформируя изображения далеких объектов наподобие искажений, вносимых старым стеклом. Можно оценить распределение темной материи, которая вызывает эти искажения. При сильном гравитационном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Слабое линзирование сводится только к изменению видимой формы источника. Недавно были получены результаты обработки снимков 200 тыс. галактик, сделанных Канадско-франко-гавайским телескопом. Здесь представлен пример компьютерного моделирования распределения темной материи (показана красным цветом), которая искривляет световые лучи от далеких галактик и искажает их форму. Автор С. Коломби (Парижский астрофизический институт)
Четверть века назад Я. Б. Зельдович активно развивал представление о том, что темная материя могла бы состоять из нейтрино. Космологические нейтрино (и антинейтрино) определенно имеются во Вселенной. Они вышли из равновесия с веществом, когда возраст мира был меньше одной секунды, и с тех пор присутствуют в космосе, взаимодействуя с остальными видами энергии практически только гравитационно. Их должно быть в среднем около 300 в каждом кубическом сантиметре пространства. В начале 1980-х гг. казалось, что лабораторный физический эксперимент позволяет этим частицам иметь массы, подходящие для того, чтобы нейтрино могли играть роль темной материи. Сейчас, однако, стало ясно, что массы нейтрино значительно меньше, так что на них можно списать в лучшем случае примерно 10 % темной материи. Каковы же тогда основные носители этой субстанции?
Одна из современных гипотез, выросшая из идеи Зельдовича, заключается в том, что темная материя состоит в основном из частиц, в некотором смысле очень похожих на нейтрино: они стабильны, не имеют электрического заряда и участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях. Однако такие частицы сильно отличаются от нейтрино по массе: они должны быть очень тяжелыми, примерно в 1000 раз тяжелее протона, так что энергия покоя такой частицы составляет около 1 ТэВ. Такие частицы до сих пор не были известны ни в теории, ни в физическом эксперименте. Если они действительно существуют, то, как показывает теория, они вполне могли бы присутствовать во Вселенной в нужном количестве. Таким путем космология приходит к интересному предсказанию: в природе должны существовать массивные стабильные слабовзаимодействующие элементарные частицы, на долю которых приходится примерно 25 % всей массы и энергии Вселенной, что в 4—5 раз больше, чем вклад барионов.
Согласно одной из Гипотез, Темная Материя состоит из частиц, похожих на Нейтрино. однако такие частицы должны быть примерно в 1000 раз тяжелее Протона
Возможно, нужные по свойствам новые частицы будут обнаружены на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, который готовится к проведению небывалых экспериментов. На этом мощнейшем ускорителе пучки протонов и ионов будут разгоняться до энергий более 10 ТэВ, что заметно превышает энергию покоя гипотетических темных частиц. В нескольких крупных лабораториях мира, в том числе и в России, строятся специальные установки для детектирования частиц темной материи, приходящих на Землю из гало нашей Галактики. Не исключено, что вопрос о физической природе темной материи будет решен уже в недалеком будущем. Во всяком случае эта загадка не кажется такой безнадежной, как природа космологического расширения.
Фон фотонов
В 1965 г. американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон обнаружили, что вся Вселенная пронизана электромагнитным излучением, приходящим на Землю изотропно, т. е. равномерно со всех направлений. Это третье из крупнейших открытий в космологии.
В 1965 г. радиоастрономы Лаборатории фирмы «Белл» Арно Пензиас и Роберт Вилсон обнаружили космическое реликтовое излучение. Максимум в спектре этого излучения лежит в миллиметровом диапазоне. Положение максимума отвечает температуре T = 2,7 K. Это открытие, удостоенное впоследствии Нобелевской премии, было сделано случайно: по признанию Вилсона, ни он, ни его коллега не думали о космологии и даже ничего не слышали о ней, когда зарегистрировали в своей антенне неустранимый изотропный сигнал, который они приняли за инструментальный шум. Смысл происшедшего прояснили физики-теоретики Принстонского университета
Максимум в спектре этого излучения приходится на миллиметровые волны, причем сам спектр, т. е. распределение по длинам волн (или частотам), совпадает по форме со спектром абсолютно черного тела. На языке квантов можно сказать, что в мире имеется газ фотонов, которые равномерно заполняют все пространство. Температура этого газа точно измерена: T = 2,725 K. Как видим, это очень низкая температура, она не выше трех градусов, считая от абсолютного нуля (по шкале Цельсия это ?270°). Таких космических фотонов очень много во Вселенной: их почти в 10 млрд раз больше, чем протонов, если считать по числу частиц. В кубическом сантиметре пространства содержится примерно 500 реликтовых фотонов.
Само по себе изотропное космическое излучение не таит никаких особенных загадок. Это реликт, т. е. остаток, того состояния, в котором Вселенная находилась в очень далеком прошлом, в первые минуты своего расширения. В те времена в ней не было ни звезд, ни галактик, а все вещество распределялось в пространстве более или менее равномерно. Это можно себе представить, если мысленно обратить ход времени: глядя назад, мы увидим, что галактики не разбегаются, а сближаются между собой. И в определенный момент они должны перемешаться, так что их вещество окажется газом приблизительно однородной плотности. Этот газ должен быть очень горячим. Еще со школьной скамьи мы знаем, что при расширении тела охлаждаются, а при сжатии – нагреваются. Из физики известно также, что в горячем газе должны обязательно иметься фотоны, находящиеся с газом в термодинамическом равновесии. При расширении Вселенной фотоны не исчезают и должны сохраниться до современной эпохи.
Если бы во Вселенной присутствовало только обычное тяготение, разбегание галактик замедлялось бы со временем (подобно тому, как тормозится брошенный вверх камень). Однако в 1998—1999 гг. было установлено, что по крайней мере вторую половину своей истории Вселенная расширяется, наоборот, с ускорением. Этот факт свидетельствует в пользу существования антитяготения – всеобщего отталкивания. Новая энергия получила название «темной энергии». На рисунке показаны различные сценарии эволюции мира, в принципе допускаемые теорией. Наблюдения последнего десятилетия позволили выбрать вариант, который действительно реализуется, – ему соответствует красная кривая. В этом случае от начала космологического расширения до современной эпохи проходит приблизительно 14 млрд лет. При этом космологическое расширение происходит с замедлением первые 7 млрд лет, после этого расширение ускоряется
Так рассуждал еще в 1940-х гг. Георгий Гамов, некогда студент профессора Фридмана в Ленинграде. Он построил теорию «горячей Вселенной», которую называют еще теорией Большого Взрыва, и на ее основе смог предсказать само существование этого остаточного, реликтового излучения. Более того, он предсказал и нынешнюю температуру реликтовых фотонов. По его расчетам, она не должна превышать 10 K. В одной из научно-популярных статей (в 1950 г.) Гамов написал, что температура должна быть примерно три градуса абсолютной шкалы. Как выяснилось через полтора десятка лет, предсказание оказалось очень точным. Многие считают, что это было самое красивое количественное предсказание во всей космологической теории.
Но кое-что не до конца ясно и с реликтовым излучением. Космологам не удается понять, почему реликтовых фотонов так много (по сравнению с протонами). Впрочем, правильнее было бы сказать, что это вопрос не о фотонах, а, скорее, о протонах: почему их именно столько, сколько известно из наблюдений? Ответа пока нет. С этой проблемой не удалось справиться даже А. Д. Сахарову, который считал ее одной из самых принципиальных как в космологии, так и во всей фундаментальной физике.
Открытие и изучение реликтового излучения отмечено двумя Нобелевскими премиями. Первая присуждена в 1978 г. Пензиасу и Вилсону, вторая – в 2006 г. Джорджу Смуту и Джону Матеру, которые в 1992 г. доказали, что реликтовое излучение – это действительно термодинамически равновесный газ фотонов определенной температуры. Это было сделано с помощью американского спутника COBE (Cоsmic Background Explorer). Кроме того, COBE измерил слабую — на уровне тысячных долей процента – анизотропию фонового излучения. Последняя представляет собой «отпечаток» первоначально слабых неоднородностей вещества ранней Вселенной, которые позднее дали начало наблюдаемым крупномасштабным космическим структурам – галактикам и скоплениям галактик.
Георгий Гамов (1904—1968)за 15 лет до Открытия Пензиаса и Вилсона предвидел, что Температура Реликтового Излучения должна быть около Трех Градусов. Это было самое точное количественное предсказание в Космологии
В наши дни наблюдения реликтового излучения служат астрономам для изучения крупномасштабных свойств Вселенной. Самый яркий результат, достигнутый на этом пути в последние годы, касается геометрии трехмерного пространства, в котором происходит разбегание галактик. Начиная с Фридмана, космологи стремились выяснить тип геометрии реального пространства. Оказалось, что это обычная школьная эвклидова геометрия. Выходит, наш мир устроен не слишком сложно: по крайней мере его пространственная геометрия – самая простая из возможных.
Альберт Эйнштейн (1879—1955), снимок 1920 г. Тремя годами ранее он выдвинул идею всеобщего космического отталкивания. Эйнштейн показал, что наряду со всемирным тяготением – взаимным притяжением тел – в природе может, в принципе, существовать и всемирное антитяготение, которое стремится заставить все тела двигаться прочь друг от друга. Антитяготение было открыто в 1998—1999 гг.
В 1998—1999 гг. две международные группы наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райсс, а другой – Сол Перлматтер, установили, что наблюдаемое космологическое расширение происходит с ускорением: скорости удаления галактик возрастают со временем. Открытие сделано с помощью изучения далеких вспышек сверхновых звезд определенного типа (Ia), которые замечательны тем, что они могут служить «стандартными свечами», т. е. источниками с известной собственной светимостью. Из-за исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, истинно космологических расстояниях, составляющих тысячи мегапарсек.
Вещество (считая и с темной материей) не способно ускорять галактики, а лишь тормозит их разлет: взаимное притяжение галактик стремится сблизить их друг с другом. Поэтому открытый астрономами факт ускоренного расширения указывает на то, что наряду с обычным веществом, создающим тяготение, во Вселенной присутствует особая космическая масса, или энергия, которая создает не тяготение, а антитяготение – всеобщее отталкивание тел. При этом в космологическом масштабе антитяготение сильнее тяготения. Новая энергия получила название темной энергии. Она действительно невидима: не излучает, не рассеивает и не поглощает света (и всех вообще электромагнитных волн); она проявляет себя только антитяготением.
Астрономы выяснили, что до расстояний примерно в 7 млрд световых лет космологическое ускорение положительно. Но на еще более далеких расстояниях ускорение, как оказалось, меняет знак: там оно отрицательно, а значит, на этих сверхбольших расстояниях космологическое расширение происходит с замедлением.
Примем теперь во внимание, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Это означает, что мы видим объекты такими, какими они были, когда испустили принимаемый нами сейчас свет. Солнце мы видим с задержкой в 8 мин, далекие галактики наблюдаем такими, какими они были миллиарды лет назад. Телескоп – это настоящая машина времени, позволяющая воочию видеть прошлое мира. Возраст мира составляет 13,7 млрд лет – таковы самые свежие космологические данные.
Сказанное только что о космологическом ускорении означает, что первую половину своей истории Вселенная расширялась с замедлением, а вторую – с ускорением. Первые 7 млрд лет расширяющаяся Вселенная практически не чувствовала присутствия в ней темной энергии: плотность вещества (темной материи и барионов) была значительно выше плотности темной энергии. Предполагается, что плотность темной энергии не зависит от времени, это величина постоянная. А плотность вещества убывает в ходе расширения, так что в прошлом она была выше, чем сейчас; по этой причине до определенного момента тяготение вещества было сильнее антитяготения темной энергии. Эти две силы как раз и сравнялись по величине примерно 7 млрд лет тому назад. С тех пор темная энергия доминирует, и эта эпоха антитяготения будет длиться неограниченно долго.
По совокупности различных наблюдений (включая и наблюдения реликтового излучения) к настоящему времени установлена доля каждого космического компонента в общем энергетическом балансе Вселенной. Эти компоненты сейчас называют видами космической энергии. На долю темной энергии приходится примерно 70 % всей энергии мира; на темную материю – 25 %; на обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны) – около 5 %; на реликтовое излучение – менее 0,1 %. Таков рецепт «энергетической смеси», заполняющей современную Вселенную. В ней, как мы видим, много «темного» – до 95 %. Это стало самой большой неожиданностью для астрономов, космологов и физиков.
Удивительно и достойно восхищения научное предвидение Эйнштейна: еще в 1917 г. он говорил о всеобщем космическом отталкивании как о возможном физическом феномене космологического масштаба. У Эйнштейна антитяготение описывается всего одной константой, которую называют космологической постоянной. Весь комплекс имеющихся сейчас наблюдательных данных о темной энергии прекрасно согласуется с таким описанием.
В отношении расчета движения в пределах Солнечной системы общая теория относительности Эйнштейна давно стала почти инженерной наукой. Так, полеты автоматических космических аппаратов к планетам немыслимы без ОТО.
Антитяготение создается не Галактиками или другими Компактными Объектами, а Непрерывной Космической Средой, в которую все Тела погружены, – Темной Энергией
Эйнштейн не оставил нам физической интерпретации космологической постоянной. Согласно предложению Э. Б. Глинера, высказанному еще в 1965 г., космологическую постоянную можно рассматривать как физическую характеристику особого рода сплошной среды, идеально равномерно заполняющей все пространство Вселенной. Плотность этой среды не только однородна, но и не зависит от времени, она одна и та же во всех системах отсчета. Из этого представления вытекают особые макроскопические свойства темной энергии. Так, оказывается, что у нее имеется давление, причем оно отрицательно, а по абсолютной величине равно плотности энергии (напомним, что плотность энергии и давление имеют одну и ту же размерность). Именно из-за своего отрицательного давления темная энергия создает антитяготение – это специфический эффект общей теории относительности.
Но каковы не макроскопические, а микроскопические свойства темной энергии? Из чего она состоит? В конце 1960-х гг., задолго до открытия темной энергии, Зельдович обсуждал возможную связь между космологической постоянной и квантовым вакуумом элементарных частиц и физических полей. Этот физический вакуум не есть абсолютная пустота, он имеет свою отличную от нуля энергию. Ее носителями служат так называемые нулевые колебания квантовых полей, всегда существующие в пространстве даже в отсутствие в нем каких-либо частиц. Если этот квантовый вакуум рассматривать макроскопически как некую среду, то ему следует приписать не только плотность энергии, но также и давление. При этом связь между давлением и плотностью должна быть в точности такой, как и у темной энергии, описываемой эйнштейновской космологической постоянной. Так не тождественна ли темная энергия физическому вакууму?
Космический телескоп «Хаббл» (КТХ) – самый крупный астрономический инструмент, выведенный на орбиту вокруг Земли. Диаметр зеркала КТХ составляет 2,4 м; оно почти такое же по размеру, как в свое время у Эдвина Хаббла. Но космическому телескопу не мешает земная атмосфера, а совершенная светоприемная аппаратура на нем такова, что в дело идет практически каждый квант света, упавший на зеркало. Самое замечательное открытие, сделанное с помощью КТХ, – обнаружение темной энергии во Вселенной. Фото Европейского космического агентства
Было бы замечательно, если бы удалось доказать, что это действительно так: объединение кажущихся разными сущностей – плодотворнейший путь развития науки. Это известно еще со времен Максвелла, объединившего электричество и магнетизм. Но до сих пор идею Зельдовича не удается ни доказать, ни опровергнуть. Физическая природа и микроскопическая структура темной энергии стала сейчас центральной проблемой космологии и всей фундаментальной физики. Похоже, она столь же сложна, как и вопрос о происхождении космологического расширения.
Итак, за 90 лет своего существования, считая от первых наблюдений Слайфера и теоретической работы Эйнштейна, космология превратилась из области абстрактных и почти фантастических, как казалось, занятий на далекой периферии тогдашней науки в одно из центральных направлений естествознания XXI в. Она обладает надежным наблюдательным фундаментом, который складывается из базовых фактов о Вселенной. На нем строится и развивается теория, прочно связанная со всей современной физикой, включая общую теорию относительности, ядерную физику и физику элементарных частиц. Космология ставит новые важные вопросы, выдвигает содержательные идеи и гипотезы, делает смелые предсказания. Она дает широкую, богатую и согласованную картину мира, которая становится сейчас неотъемлемой частью общей культуры человечества. А нерешенные проблемы в живой, сложной науке всегда есть и должны быть – это источник и резерв ее дальнейшего развития.
https://scfh.ru/section/astronomiya/
***************
2.В рамках теории струн получено описание Вселенной
с реалистичным значением плотности темной энергии
Согласно теории струн пространство нашей Вселенной десятимерно: помимо привычных ощущаемых нами четырех измерений в каждой точке есть и шесть микроскопических измерений, представленных в виде так называемых многообразий Калаби — Яу. Несмотря на то, что эти дополнительные измерения слишком маленькие и мы не можем их прямо наблюдать, от их формы зависят свойства элементарных частиц и значение плотности темной энергии. На рисунке схематично показано, что в каждой точке пространства «сидит» свое многообразие Калаби — Яу (поскольку рисунок плоский, это всего лишь двухмерные проекции шестимерных объектов).
Одной из главных проблем современной теоретической физики фундаментальных взаимодействий, основанной на Стандартной модели элементарных частиц и Общей теории относительности, описывающей гравитацию, является противоречие между предсказанным значением плотности темной энергии (она же — энергия вакуума) и ее значением, измеренным по скорости расширения Вселенной. Расхождение составляет впечатляющие 10123 раз. Соответственно, верное теоретическое предсказание этой плотности является важнейшим требованием к любой теории квантовой гравитации, претендующей на описание всех взаимодействий в рамках единого формализма. Основным кандидатом на роль такой теории в настоящее время является теория струн. Уравнения этой теории имеют огромное количество космологических решений, большая часть которых не похожа на наблюдаемую нами Вселенную. В частности, значение плотности темной энергии в этих решениях обычно существенно превышает наблюдаемое. Но недавно группа физиков нашла решение, которое очень напоминает нашу Вселенную и имеет очень малое значение плотности темной энергии.
Состав Вселенной
Наше понимание эволюции Вселенной основано на Общей теории относительности (ОТО), предложенной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Это релятивистская теория гравитации: она описывает происходящее в условиях больших скоростей и сильных гравитационных полей, связывая изменение геометрии пространства-времени с энергией и импульсом находящихся в нем материи и излучения, включая и само гравитационное поле (физики говорят «гравитация гравитирует», потому что искривление пространства-времени само по себе имеет энергию и импульс).
Вскоре после предъявления ОТО широкой публики, в 1917 году, сам Эйнштейн привел решение своих уравнений, соответствующее стационарной (неизменной во времени) замкнутой Вселенной, в котором пространство имело форму трехмерной сферы. Первое космологическое решение уравнений ОТО, представляющее собой расширяющуюся со временем Вселенную, было предложено русским физиком, математиком и геофизиком Александром Фридманом в 1922 году. То, что именно такое решение правильно описывает нашу Вселенную, было подтверждено астрономическими наблюдениями американца Эдвина Хаббла в 1929 году.
Расширение Вселенной проявляется в разбегании галактик, если они не связаны друг с другом гравитационно (то есть не входят в состав гравитационно-связанных скоплений). Причем, чем дальше галактики расположены друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются (см. закон Хаббла).
Хаббл установил, что скорость с которой удаляются друг от друга галактики, расположенные на расстоянии aa, равна HaHa, где коэффициент пропорциональности между скоростью разбегания и расстоянием HH — так называемая постоянная Хаббла, равная 2,2;10;18 c;1 (впрочем, с определением точного значения этой постоянной связана одна из серьезных проблем в астрофизике: разные измерения дают плохо согласующиеся результаты; подробнее см. в статье Олега Верходанова Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной?). Например, галактики, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 миллиард световых лет, разлетаются со скоростью 24 000 км/с.
Следующим важным этапом в развитии наших представлений о Вселенной было открытие швейцарско-американским астрономом Фрицем Цвикки несоответствия между измеренными им скоростями движения звезд в галактиках и теми скоростями, которые ожидались на основании подсчета общей массы наблюдаемого вещества в этих галактиках: наблюдаемого вещества не хватало для обеспечения нужных скоростей. Тогда Цвикки предположил, что должна существовать некая невидимая нами форма материи, которая и дает необходимую для обеспечения нужных скоростей звезд массу галактики. Сейчас это вещество принято называть темной материей (или темным веществом).
Одним из важнейших экспериментальных результатов в космологии стало открытие американскими астрофизиками Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном в 1965 году так называемого реликтового излучения. Механизм его возникновения состоит в следующем. Примерно в первые 350 000 лет своего существования Вселенная была достаточно горячей и плотной, чтобы вещество в ней было полностью ионизировано. Фотоны активно взаимодействовали со свободными электронами, и Вселенная была непрозрачной для теплового излучения. Уменьшение температуры и плотности в ходе расширения привело к тому, что произошла рекомбинация: электроны были захвачены ядрами, образовав в результате нейтральные атомы. Вещество стало прозрачным для излучения, активно взаимодействующего только с заряженными объектами, и оно стало свободно распространяться по Вселенной. Именно его мы сейчас и наблюдаем как реликтовое излучение. Теоретически оно было предсказано еще в 1940-х годах американскими физиками Ральфом Альфером и Георгием Гамовым (см. Джордж и его команда: к 70-летию горячей модели Вселенной, «Элементы», 26.01.2016).
И наконец, последнее большое экспериментальное открытие, завершившее формирование наших нынешних космологических представлений, было совершено в конце 90-х годов ХХ века: точное измерение расстояний до далеких галактик показало, что Вселенная расширяется с ускорением, и что плотности энергии звезд, межзвездного газа и гипотетической темной материи недостаточно для объяснения этого эффекта. Была выдвинута гипотеза о том, что во Вселенной существует особый вид энергии, приводящей к такому расширению, — так называемая темная энергия. Описать эти наблюдения в рамках ОТО можно, если добавить одно слагаемое, называемое лямбда-членом, в уравнения.
Итого, согласно современной космологической модели, Вселенная состоит из четырех основных компонентов (их вклад в среднюю плотность энергии во Вселенной приведен на рис. 2):
• Звезды, планеты и прочие астрономические объекты, которые мы можем наблюдать в телескоп (сюда же относится и всевозможное излучение).
• Межзвездный газ, большей частью представляющий собой водород (его средняя плотность — около одного атома на один кубический метр межзвездного пространства).
• Темная материя, состоящая из неизвестных пока частиц, которые не были зарегистрированы ни в каких земных лабораториях (см., например, новость Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи, «Элементы», 27.07.2016). Как уже упоминалось, существование темной материи было предсказано на основе несоответствия между измеренными скоростями движения звезд в галактиках и тому, что ожидалось на основании наблюдений за обычной материей в них — обычной материи не хватает для обеспечения нужных скоростей. В пользу существования темной материи есть и космологические аргументы: если бы ее не было, то к настоящему моменту галактики не успели бы сформироваться.
• Темная энергия, ответственная за наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной. Основным кандидатом на ее роль является энергия вакуума (иногда вместо этого рассматривается возможность введения нового поля, называемого квинтэссенцией, которое очень специфически взаимодействует с другими полями, или же теория гравитации особым образом модифицируется так, что необходимости во введении темной энергии вообще не возникает, но оба этих варианта не слишком популярны среди физиков).
• Темная энергия вакуума
Вакуум в квантовой теории поля не является пустотой, а наполнен флуктуирующими полями вещества и излучения. Нетривиальность вакуума проявляется не только в космологии, но и в физике элементарных частиц — благодаря ненулевому значению поля Хиггса в вакууме элементарные частицы получают массу (см. Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии), а кварковые и глюонные конденсаты оказывают существенное влияние на наблюдаемое поведение сильновзаимодействующих частиц, называемых адронами. Были вакуумные флуктуации измерены и в лабораторном эксперименте: благодаря флуктуациям электромагнитного поля возникает притягивание двух проводящих пластин, так называемый эффект Казимира. Существование флуктуирующих в вакууме полей приводит к тому, что плотность энергии вакуума не равна нулю.
Наблюдая за темпом расширения Вселенной (то есть изменением геометрии пространства-времени), можно установить общую плотность энергии во Вселенной, а вклад барионного вещества, электромагнитного излучения и темной материи можно извлечь из других наблюдений. Таким образом было установлено, что вклад темной энергии составляет около 74%. (Все числа, указанные на рис. 2, — это оценки вклада в энергетический баланс Вселенной, справедливые для настоящего момента, в прошлом они были другими. Зависимость этих величин от времени можно вычислить, и оказывается, что, например, вклад темной энергии в ранней Вселенной, возраст которой сейчас составляет примерно 13,7 миллиарда лет, был пренебрежимо мал.)
Так называемая проблема темной энергии заключается в том, что оцененное из размерных соображений значение плотности ее энергии оказывается намного больше наблюдаемого. Когда мы принимаем во внимание все известные поля, включая гравитационное, характерным масштабом энергий вакуумных флуктуаций становится так называемая планковская масса MPlMPl, выражающаяся через фундаментальные физические постоянные так:
MPl=;cG;;;;.MPl=;cG.
Здесь ;; — это постоянная Планка, cc — скорость света в вакууме, GG — гравитационная постоянная Ньютона. Тогда из соображений размерности можно ожидать, что плотность энергии вакуума должна примерно удовлетворять равенству ;vac;M4Pl;vac;MPl4, что больше наблюдаемого значения, которое в привычных нам величинах равно около 10;29 грамм на кубический сантиметр, приблизительно в 10123 раз! Можно подумать, что экстраполировать наши знания о физике элементарных частиц до планковской массы неправомерно, так как даже в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC) мы достигаем энергий столкновения частиц «всего лишь» порядка ELHC = 1 ТэВ, что меньше массы Планка примерно в 1015 раз. Но даже если допустить, что выше этого масштаба физика кардинально меняется и становится совершенно непохожей на то, как мы ее себе представляем, то ожидаемое характерное значение плотности энергии вакуума ;vac;E4LHC;vac;ELHC4 все равно превышает наблюдаемое приблизительно в 1060 раз.
Вполне возможно, что для решения этой проблемы недостаточно нашего текущего понимания физики, основанного на квантовополевой Стандартной модели, описывающей элементарные частицы и их электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, и неквантовой ОТО, хорошо объясняющей гравитационное взаимодействие на макроскопических масштабах. Вероятно, это является дополнительным указанием на необходимость построения квантовой теории гравитации, объединяющей все взаимодействия, включая гравитационное, в рамках нового единого формализма. Основным кандидатом на роль такой теории в настоящее время является теория струн.
Кругом одни струны
Согласно теории струн, не проверенной, правда, в настоящее время экспериментально, все частицы не являются точечными, а представляют собой микроскопические одномерные объекты. То, что кажется нам различными частицами, в теории струн представляет собой разные колебательные состояния одного и того же объекта — фундаментальной струны.
Изначально теория струн была предложена в 1968 году для описания мезонов — сильновзаимодействующих частиц, состоящих из двух кварков, связанных глюонной «струной», обеспечивающей сильное взаимодействие между кварками. Но в начале 1970-х годов была разработана квантовополевая теория сильных взаимодействий — квантовая хромодинамика, — которая очень хорошо описывала взаимодействие адронов (по крайней мере при высоких энергиях), а кроме того было выяснено, что в теории струн обязательно возникает безмассовая частица со спином (внутренним моментом вращения), равным 2, которой не наблюдалось среди адронов.
Описание сильновзаимодействующих частиц на языке теории струн имело еще два фатальных недостатка: отсутствие среди частиц фермионов (имеющих полуцелый спин), которые прекрасно наблюдаются экспериментально (к таким частицам относятся нуклоны — протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра), а также наличие тахиона — частицы с отрицательным квадратом массы, которая всегда движется быстрее света, что несовместимо с теорией относительности. Это привело к тому, что теория струн была заброшена многими физиками, занимавшихся теорией поля и элементарными частицами.
Ситуация изменилась в 1984 году, когда на смену теории струн пришла так называемая теория суперструн (с тех пор физики работают только с ней, так что ее стали называть просто теорией струн, что и мы будем делать далее по тексту). Она содержит в своем спектре фермионы и не предсказывает тахиона (приставка «супер» возникла из-за того, что теория суперструн предсказывает существование определенной симметрии между частицами с целым и полуцелым спином — так называемой суперсимметрии). Кроме того, исследователи поняли, что безмассовую частицу со спином 2 нужно интерпретировать как гравитон — частицу, переносящую гравитационные взаимодействия, аналогично фотону, ответственному за электромагнитное взаимодействие. Одним из самых важных свойств теории струн было то, что взаимодействие этой частицы было самосогласованным — все вычисления приводили к конечным результатам, тогда как наивное квантование ОТО приводило к бессмысленным бесконечностям, то есть теория струн представляла собой квантовую теорию гравитации, которую физики пытались построить в течение многих десятилетий.
Одним из интересных свойств теории струн является предсказание размерности пространства-времени из требования математической самосогласованности теории. Эта размерность, правда, оказалась равной не 4, а 10, что на первый взгляд несовместимо с наблюдаемой размерностью пространства. Решением этой неувязки является представление пространства-времени в виде прямого произведения: в каждой точке нашего четырехмерного пространства-времени расположено крошечное шестимерное пространство специального вида, называемое многообразием Калаби — Яу (двухмерные проекции таких пространств изображены на рис. 1).
В качестве простой аналогии для описываемых теоретических построений хорошо подходит обычный прямой круговой цилиндр: его можно представить как совокупность одинаковых окружностей, проведенных в каждой точке данного отрезка (плоскости, в которых лежат окружности, перпендикулярны этому отрезку). Тем самым, цилиндр — это прямое произведение отрезка и окружности. Теперь посмотрим на длинный цилиндр издалека — он покажется нам одномерным, поскольку с большого расстояния его «толщина» неразличима. Примерно то же самое происходит и в теории струн — «сидящие» в каждой точке пространства многообразия Калаби — Яу являются такими маленькими, что мы не можем их явно зарегистрировать. Несмотря на это, разные формы многообразий Калаби — Яу, в которых движется колеблющаяся струна, приводят к различным наблюдаемым элементарным частицам и их взаимодействиям.
Проблема теории струн (иногда она называется проблемой струнного ландшафта) заключается в том, что различных многообразий Калаби — Яу существует огромное количество, и большая их часть приводит к совершенно не похожим на нашу четырёхмерным Вселенным.
Темная энергия в теории струн
Пару недель назад в архиве электронных препринтов появилась статья, в которой описано многообразие Калаби — Яу (так называемый ориентифолд Калаби — Яу), обеспечивающее очень маленькое значение плотности темной энергии с точки зрения низкоэнергетической четырехмерной Вселенной (эта плотность тоже зависит от формы многообразия Калаби — Яу — как и спектр, и детали взаимодействия частиц).
Как говорилось ранее, пространство Калаби — Яу должно быть очень маленьким, чтобы теория была совместима с наблюдениями, которые, очевидно, дают четырехмерное пространство-время. Рассмотренное в обсуждаемой работе пространство имеет характерный размер 104;Pl104;Pl, где ;Pl;Pl — это так называемая планковская длина, связанная с планковской массой формулой ;Pl=;MPlc;Pl=;MPlc и равная приблизительно ;Pl;1,6;10;33;Pl;1,6;10;33 см, что примерно на 15 порядков меньше, чем расстояния, которые мы можем «прощупать» в экспериментах (для сравнения, размер атома равен приблизительно 10;8 см).
Хотя этот результат очень воодушевляет с точки зрения получения реалистичной космологии из теории струн, низкоэнергетическая четырехмерная физика все же не полностью совпадает с наблюдаемой нами Вселенной. Во-первых, абсолютное значение плотности темной энергии оказывается даже слишком низким — она равна 10;144M4Pl10;144MPl4, а не 10;123M4Pl10;123MPl4, как следует из наблюдений. Во-вторых, получающаяся плотность энергии является отрицательной, а не положительной, как в реальности. А в-третьих, низкоэнергетический спектр частиц все же немного отличается от того, что мы наблюдаем (в отрицательной плотности энергии нет ничего плохого или даже незнакомого: отрицательной является энергия взаимодействия любых притягивающихся тел: например, двух гравитирующих объектов или двух зарядов разных знаков, взаимодействие между которыми определяется законом Кулона). Авторы этой статьи надеются, что существует похожее по форме пространство Калаби — Яу, которое даст полное совпадение предсказаний теории струн с наблюдаемой нами Вселенной, и что они смогут его найти.
Источник: Mehmet Demirtas, Manki Kim, Liam McAllister, Jakob Moritz, Andres Rios-Tascon.
Small Cosmological Constants in String Theory // Препринт arXiv:2107.09064 [hep-th].
Материалы из Сети подготовил Вл.Назаров
Нефтеюганск
5 августа 2021 года.

________________________________________