Спросите Итана: откуда берётся "энергия" в тёмной энергии?

Чем дальше мы заглядываем, тем ближе то, что мы видим, оказывается к Большому взрыву. Текущий рекордсмен среди квазаров виден нам таким, каким он был, когда Вселенной было всего 690 млн лет. А ещё эти сверхдальние космологические зонды показывают нам Вселенную, в которой содержится тёмная материя и тёмная энергия, но не объясняют, откуда эта энергия берётся.

Если ваша вселенная заполнена всяческим материалом – будь то атомы, тёмная материя, излучение, нейтрино или что-то ещё – её практически невозможно сохранять в статичном состоянии. Ткань такой вселенной, по крайней мере, судя по Общей теории относительности, на крупных масштабах обязана либо расширяться, либо сжиматься. Но если вселенная заполнена тёмной энергией, как это, судя по всему, есть у нас, то происходит нечто ещё более странное: общее количество энергии, содержащейся внутри наблюдаемой нами Вселенной, со временем увеличивается, и конца этому не видно. Не нарушает ли это закон сохранения энергии? Именно об этом спрашивает наш читатель:

Общая энергия Вселенной увеличивается, поскольку энергия, присущая пространству-времени, постоянна, а Вселенная расширяется. Получается, что для создания дополнительного кубического километра пространства-времени требуется определённое количество энергии, ни больше, ни меньше. Эта энергия должна откуда-то браться. Во всех остальных случаях, известных нам, энергия (включая материю посредством E = mc2) не может появляться ниоткуда. Получается, что что-то отдаёт энергию нашей Вселенной, что заставляет её расширяться. Остановится ли этот процесс?

Но реальная научная истина по поводу всего происходящего гораздо более неприятна, чем вы могли бы себе представить. Ожидаемые варианты судьбы Вселенной (верхние три картинки) соответствуют Вселенной, в которой материя и энергия борются с изначальной скоростью расширения. В нашей наблюдаемой Вселенной космическое ускорение вызвано неким типом тёмной энергии, до сих пор необъяснённым. Все эти Вселенные управляются уравнениями Фридмана, связанными с расширением Вселенной, содержащей различные типы материи и энергии.

В нашей физической Вселенной существуют две неразрывно связанные между собою вещи: скорость расширения Вселенной и распад всех различных типов энергии, находящихся внутри неё. Главное правило ОТО состоит в том, что материя диктует пространству, как ему искривляться, а искривлённое пространство диктует материи, как ей двигаться. Это так, но это ещё не всё. На кривизну пространства влияет не только материя, но и энергия, и в результате изменяется не только кривизна, но и скорость расширения (или сжатия) пространства. В частности, скорость расширения определяется плотностью энергии.

Но во Вселенной существуют различные формы энергии, каждая из которых играет несколько отличную роль в том, как скорость расширения меняется со временем.

Хотя материя и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной, благодаря увеличению её объёма, тёмная энергия – это энергия, присущая самому пространству. При появлении в расширяющейся Вселенной нового пространства, плотность тёмной энергии остаётся постоянной.

Энергетический вклад такой субстанции, как нормальная материя, вполне интуитивен. Материя состоит из частиц с массой, и даже с изменением Вселенной сами частицы остаются постоянными. Со временем, объём Вселенной увеличивается, а общая плотность материи уменьшается. Плотность – это масса на единицу объёма: масса не меняется, объём увеличивается, и плотность падает. Если бы во Вселенной была только материя, скорость расширения падала бы с уменьшением плотности материи.

С расширением ткани Вселенной растягиваются и длины волн присутствующего в ней излучения. Это приводит к тому, что Вселенная становится менее энергичной, и делает невозможными многие высокоэнергетические процессы, спонтанно проходившие в ранние времена

У излучения есть одна особенность. Оно, конечно, тоже состоит из частиц, и с расширением объёма количественная плотность этих частиц уменьшается точно так же, как у материи. Но у излучения есть длина волны, и она растягивается при расширении Вселенной. Чем больше длина волны, тем меньше энергия, поэтому скорость расширения падает быстрее во Вселенной, заполненной излучением, чем во Вселенной заполненной материей.

Но для Вселенной, заполненной тёмной энергией, всё совсем по-другому. Тёмная энергия получается из энергии, присущей ткани самого пространства, и с расширением Вселенной плотность энергии – количество энергии на единицу объёма – остаётся постоянной. В итоге у Вселенной, заполненной тёмной энергией, скорость расширения будет оставаться постоянной.

Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и время, когда они могли доминировать. Если бы существовало какое-то ощутимое количество космических струн или стен доменов, они бы вносили серьёзный вклад в расширение Вселенной. Также могут существовать и другие компоненты, которые нам больше не видны, или которые ещё себя не проявили! К текущему моменту доминирует тёмная энергия, материя пока ещё вносит ощутимый вклад, а излучением уже можно пренебречь. В очень далёком прошлом излучением было самым важным.

"Подождите-ка, - можете возразить вы. – Я думал, вы сказали, что расширение Вселенной ускоряется?"

Тут есть очень важный момент, на котором не акцентируют достаточно внимания: говоря о расширении Вселенной, учёные могут иметь в виду две разные вещи. Одна – скорость расширения Вселенной, или скорость Хаббла. Она ведёт себя именно так, как описано – падает для материи, падает быстрее для излучения, и асимптотически приближается к положительной константе для тёмной энергии. А вторая вещь – это как быстро отдельные галактики удаляются от нас с нашей точки зрения.

Как работает красное смещение в расширяющейся Вселенной. Чем дальше галактика, тем больше пространства необходимо преодолеть свету, и тем большее время у него занимает путешествие сквозь расширяющуюся Вселенную. Во Вселенной, где доминирует тёмная энергия, это означает, что нам будет казаться, что отдельные галактики с ускорением убегают от нас.

Со временем галактика удаляется от нас всё больше и больше. Поскольку скорость расширения измеряется в скорости на единицу расстояния (например, 70 км/с/Мпк (Мпк - мегапарсек)), нам будет казаться, что галактика, находящаяся дальше (допустим, в 100 Мпк от нас, нежели в 10 Мпк), удаляется от нас с большей скоростью (7000 км/с вместо 700 км/с). Если ваша вселенная заполнена материей или излучением, скорость расширения падает быстрее, чем увеличивается расстояние до галактики, поэтому суммарная скорость убегания со временем будет падать: ваша вселенная будет замедляться. Но если в вашей вселенной доминирует тёмная энергия, суммарная скорость убегания со временем будет расти: ваша вселенная будет ускоряться.

Сегодня наша Вселенная примерно на 68% состоит из тёмной энергии. Примерно 6 млрд лет назад наша Вселенная перешла от замедления к ускорению, если судить по балансу всех имеющихся в ней субстанций.

Относительная важность различных энергетических компонентов Вселенной в разное время в прошлом. Заметьте, что когда тёмная энергия в будущем дойдёт почти до 100%, плотность энергии Вселенной (и, следовательно, скорость расширения) будет оставаться неизменной произвольно долгое время.

Но как же так? Получается, что Вселенная, заполненная тёмной энергией, не сохраняет энергию. Если плотность энергии – количество энергии на единицу объёма – остаётся постоянной, а объём Вселенной увеличивается, значит ли это, что общее количество энергии Вселенной увеличивается? Не нарушает ли это закон сохранения энергии?

Это должно вызывать у вас беспокойство! Ведь мы думаем, что энергия должна сохраняться в любом из физических процессов, происходящих во Вселенной. Предполагает ли ОТО возможное нарушение сохранения энергии?

Если взять статичное пространство-время, которое не меняется, то сохранение энергии будет гарантировано. Но если ткань пространства-времени меняется, в то время как интересующие вас объекты движутся сквозь неё, то никакой закон сохранения энергии по правилам ОТО уже не работает.

Пугающий ответ – да, на самом деле, возможно и так. ОТО прекрасно и точно определяет множество величин, но энергия к ним не принадлежит. Иначе говоря, никакого требования к сохранению энергии в уравнениях Эйнштейна не содержится; глобальная "энергия" вообще не определяется в ОТО! На самом деле, мы можем сделать довольно общее заявление по поводу того, когда энергия сохраняется, а когда – нет. Когда частицы взаимодействуют на статическом фоне пространства-времени, энергия сохраняется. Но когда пространство, сквозь которое движутся частицы, меняется, общая энергия этих частиц не сохраняется. Это так для фотонов, испытывающих красное смещение в расширяющейся Вселенной, и это так во Вселенной, где доминирует тёмная энергия.

https://www.youtube.com/watch?v=3OiSoptcEDs

Но на этом ответе, пусть он и корректный технически, история не заканчивается. Можно придумать новое определение энергии при изменяющемся пространстве; однако делать это надо очень осторожно.

Существует один хитрый способ рассматривать "энергию", позволяющий нам показать, что энергия сохраняется даже в этой, вроде бы парадоксальной, ситуации. Я хочу, чтобы вы вспомнили, что кроме химической, электрической, тепловой, кинетической и потенциальной энергий, есть ещё и работа. Работа в физике – это приложение силы к объекту в направлении его перемещения; она добавляет энергии в систему. Если направления противоположны, вы делаете отрицательную работу; это вычитает энергию из системы.

Когда отдельные молекулы или атомы движутся внутри закрытого контейнера, они оказывают давление на стенки контейнера, направленное наружу. При разогреве газа его молекулы начинают двигаться быстрее, и давление растёт.

Хорошей аналогией будет газ. Что будет, если разогреть газ (добавить ему энергии)? Молекулы внутри него будут двигаться быстрее, приобретая энергию, то есть, их скорость увеличится, и они будут разлетаться дальше, быстрее занимая место.

Но что случится, если нагреть газ, заключённый в контейнер?

Молекулы разогреются, начнут двигаться быстрее, попытаются распространиться, но в этом случае они столкнутся со стенками контейнера, что создаст дополнительное положительное давление на стенки. Давление на стенки контейнера направлено наружу, а для этого нужна энергия – молекулы совершают работу!

Результат увеличения температуры газа в контейнере. Направленное наружу давление может привести к увеличению объёма, когда содержащиеся внутри контейнера молекулы производят работу с его стенками.

Это очень похоже на то, что происходит в расширяющейся Вселенной. Если ваша вселенная была бы заполнена излучением (фотонами), у каждого кванта была бы энергия, определяемая длиной волны, и с расширением вселенной длина этого фотона увеличивалась бы. Фотоны, конечно, теряют энергию, но над вселенной происходит работа через давление всего, что находится внутри неё!

Соответственно, если ваша вселенная заполнена тёмной энергией, у неё тоже есть не только плотность энергии, но и давление. Однако большая разница тут в том, что давление тёмной энергии отрицательное, то есть, эта ситуация обратная той, что была с излучением. С расширением стенок контейнера они делают работу с самой тканью пространства!

Мы привыкли к тому, что вещи расширяются, испытывая положительное (направленное наружу) давление изнутри них. Контринтуитивность тёмной энергии в том, что она оказывает давление с противоположным взглядом, при этом всё равно заставляя ткань пространства расширяться

Так откуда берётся энергия в тёмной энергии? Она получается из отрицательной работы над расширением самой Вселенной! В 1992 году Кэрролл, Пресс и Тёрнер написали работу, в которой разобрались именно с этой проблемой. Они писали следующее:

Участок проводит отрицательную работу над своим окружением, поскольку обладает отрицательным давлением. Если предположить, что участок расширяется адиабатически, эту отрицательную работу можно приравнять к увеличению массы/энергии участка. Отсюда вытекает правильная формула состояния тёмной энергии: P = – ρc2. В результате математика сходится.

Что, всё-таки, не означает, что энергия сохраняется. Это просто даёт нам умный способ взглянуть на эту проблему.

Существует огромный набор научных доказательств, поддерживающих картину расширения Вселенной и Большого взрыва, вместе с тёмной энергией. Происходящее в последнее время ускоренное расширение не сохраняет энергию строго, но рассуждения, стоящие за ним, весьма занимательны.

Это один из глубочайших вопросов космологии, на которые я когда-либо отвечал в рубрике "Спросите Итана". Два основных вывода получаются следующими:
• Когда частицы взаимодействуют в неизменяющемся пространстве-времени, энергия должна сохраняться. Когда пространство-время, в котором они находятся, меняется, этот закон сохранения уже не выполняется.
• Если переопределить энергию, включив в неё и совершаемую работу, положительную и отрицательную, которую участок пространства проделывает со своим окружением, можно спасти сохранение энергии и в расширяющейся Вселенной. Это верно как для величин с положительным давлением (как фотоны), так и с отрицательным (как тёмная энергия).

Но это переопределение не самое надёжное: Это просто математическое переопределение, которое мы можем использовать, чтобы заставить энергию сохраняться. Правда состоит в том, что в расширяющейся Вселенной энергия не сохраняется. Возможно, что в квантовой теории гравитации она будет сохраняться. Но в ОТО у нас нет хорошего метода вообще как-то определить энергию.

Источник

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части.