Можем ли да предскажем съдбата на Вселената? Изненадващо, но да, можем. Тези опити ни разкриха
съществуването на странно въздействие, наречено „тъмна енергия“ [МУЗИКА] ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕТО Общата теория на относителността на Айнщайн (ОТО)
ни позволява да опишем поведението на космоса в най-висок мащаб – пространство, неимоверно отвъд способностите ни да проучим и време, милиарди години напред в бъдещето.
Но опитите ни да свържем предсказанията на теорията с реалните астрономически наблюдения ни показват, че съдбата на Вселената се управлява от нещо, което наричаме „тъмна енергия“.
За да разберем тъмната енергия, трябва да разгледаме айнщайновата теория във вселенски мащаб. В предишния епизод видяхме как
ОТО, изразена с първото от двете уравнения на Фридман, може да обясни космическия баланс между разширяването на Вселената и съпротивлението, оказвано от гравитацията
на всичко, което се съдържа в нея. Сега е моментът да спрете на пауза и да гледате предишния епизод, ако все още не сте. ОК, готови?
И така, излиза, че космическият конфликт ще бъде спечелен от разширяването. При това и без да сме взели предвид тъмната енергия. Претегляйки всичката материя във Вселената,
астрономите установяват, че просто няма достатъчно материал, за да може Вселената да се свие обратно. Няма да има Голям срив. И Вселената ще се разширява вечно.
Направени са две убедителни и напълно независими измервания, за да се провери това предположение за съдбата на Вселената. Днес ще разгледаме едното от тях – геометрията на Вселената, която
ни показва несъответсвие в първото уравнение на Фридман. Знаем със сигурност, че лявата част на уравнението, сборът на членовете за разширяването и плътността, не е равен на нула.
Всъщност сборът е положителен. което означава, че разширяването надделява. над свиването заради плътността. Вселената е с прекалено ниска плътност, за да колапсира обратно.
Добре. И така, лявата част на уравнението (в този вид) е положителна, значи и дясната част също трябва да е положителна. Ето, знак за равенство.
Но дясната част всъщност отразява нещо напълно различно. Тя описва кривината на пространството. И зависи от това k. k е в известен смисъл формата на Вселената –
кривината на пространството и дали пространството е крайно или безкрайно. Обърнете внимание: кривината само на пространството. Пространство-времето има винаги ненулева кривина.
Което и поражда описаното разширяване. Но пространствената геометрия на Вселената в даден момент може да е или плоска, или крива. И доста просто:
k може да бъде +1, -1 или 0. k = +1 означава, че Вселената е с положителна кривина на пространството. Снимка на пространството в даден момент
би била закривена като повърхността на сфера, само че на триизмерната повърхност на хиперсфера в четиримерното пространство. В такава Вселена геометрията би била странна. Сборът на ъглите във всеки триъгълник би бил повече от 180 градуса.
И кръговете и сферите биха съдържали повече площ/обем, отколкото периметрите/повърхините им позволяват. Но обемът на такава Вселена би бил краен. Наричаме такава геометрия „затворена“.
Ако k е -1, Вселената е 3D версията хиперболоид (седло) с отрицателна кривина. Триъгълниците имат ъгли с по-малко от 180 градуса общо, повърхнините съдържат по-малко обем, отколкото в плоско пространство.
Такава Вселена би била безкрайно голяма или „отворена“. И k = 0 означава, че Вселената би била плоска. Нулева кривина във всеки момент от времето. Геометрията е какато сте я учили е гимназията.
Плоската Вселена също е безкрайна, отворена, във всички три пространствени измерения. И вижте сега – това ни дава начин да проверим независимо лявата страна на уравнението на Фридман,
когато измерихме плътността на Вселената. Лявата страна тябва да е равна на дясната. И, предполагайки, че уравнението е вярно, то формата на Вселената трябва да е обвързана
със съдбата ѝ. Плътна, колапсираща Вселена трябва да е със сферична геометрия. Лека, безкрайно разширяваща се Вселена
трябва да е хиперболична. И само Вселена с точната плътност, която се раширява точно с „втора космическа“ скорост, която би спряла разширяването си след безкрайно време
би била плоска, с лява и дясна страна равни на нула. Добре. Това е нещо, което можем да проверим.
Ако можем да измерим кривината на Вселената, и така – да измерим k, само проверявайки геометрията в космичеси мащаби. Ако всичко дотук е вярно,
геометрията трябва да се окаже хиперболична. Защото така се получава положителна дясна страна, която да е равна на положителната лява, която се получи от „претеглянето“ на Вселената.
Всъщност, вече говорихме за това в епизода за инфлационната теория. Вижте го. Наблюденията на размерите на характерните особености в реликтовото лъчение
ни позволяват да определим, че най-големите триъгълници във Вселената са със сбор на ъглите точно 180 градуса. Това е точно геометрия на плоска, евклидова Вселена, плоска с точност до 0,4%.
Дясната страна на първото уравнение на Фридман трябва да е близка до нула. Това е напълно несъвместимо с положителната кривина, която очакваме за безкрайно разширяваща се Вселена.
И така, дали объркахме измерванията? Али ОТО е грешна? Не Но като се опитахме да опишем Вселената, свеждайки
уравненията на Айнщайн за полето до уравненията на Фридман пропуснахме нещо. Пропуснахме космологичната константа. Говорим и за това в епизода за инфлацията.
Допълнителният член в уравненията на Айнщайн, който може да опише инфлационното разширяване, може също така и да реши малкия проблем на първото уравнение на Фридман с кривината. Щом изведем първото уравнение, с добавена космологична константа –
това е ламбдата (Λ) тук, получаваме допълнителен член в лявата страна. Ако космологичната константа е положителна, тя би действала като налягането за
намаляването на лявата част до нула и за изглаждането на Вселената. Така, дори и при доста ниска плътност, за да спре разширяването, с този нов член
геометрията на Вселената вече не е обвързана със съдбата ѝ. Плоска Вселена с k=0 може да се раширява вечно. Но какъв всъщност е ефектът на космологичната константа? Самият израз „космологична константа“ загатва нещо.
Този член, както най-често се интерпретира, е постоянен. С разширяването на Вселената обикновената материя и енергия се разреждат. Странностите, описани от космологичната константа, са различни. Плътността ѝ е постоянна.
Така, колкото по-голяма е Вселената, толкова повече от тази енергия се съдържа в нея. Наричаме я „тъмна енергия“ и я разглеждаме като енергията на празното пространство, на вакуума. При достатъчно голяма Вселена
плътността на обикновената материя ще падне под плътността на тази енергия на вакуума, описана от космологичната константа. В този момент тъмната енергия ще управлява разширяването.
Но кога ще се случи това? След милиарди години? Не, вече се случва. Всъщност Вселената е достигнала тази критична точка
относително наскоро в космически мащаб. Живеем във Вселена, доминирана от тъмната енергия. Откъде го знаем? Какви са възможните последствия?
Скоро ще стигнем до второто и по-завладяващо доказателство за съществуването на тъмна енергия и за космологичната константа. И, заедно с това, второто уравнение на Фридман
ще ни момогне да разберем как тъмната енергия влияе на бъдещето на пространство-времето. Някои от темите, които разгледахме наскоро, бяха на доста високо ниво.
Ако искате да си припомните основите на физиката или търсите още интересни теми по физика, PBS Digital Studios има страхотно ново предаване за вас. Crash Course Physics, водено от д-р Шини Самара,
която се занимава с инженерна механика и динамика на флуидите. Има линк в описанието отдолу. Отидете и хвърлете едно око. Миналата седмица си говорихме за съдбата на Вселената.
Да видим какво споделихте. ОК Доста от вас се интересуваха в какъв мащаб Вселената наистина се разширява.
Вселената се разширява само в най-голям мащаб. Не в мащаба на атомите, хората, Земята, дори мащаба на Млечния път. В тези области, формата на пространство-времето е доминирана от гравитационното поле
на плътно събрана материя. Не се наблюдава разширяване. Всъщност, трябва да се отдалечите на милиони светлинни години от Млечния път, за да може гравитационното поле
на Млечния път и Андромеда да не определя формата на пространство-времето. Разширяването става значимо чак отвъд това влияние. Някои модели на тъмната енергия
позволяват на пространството да се разширява и в по-малък мащаб, и да се достигне до т.нар. Голямо разкъсване. Ще стигнем и дотам. Mychelly Goulart иска да знае
дали плътността, както е представена в уравненията на Фридман, включва и тъмната материя. Абсолютно. Плътността, която изчисляваме, за да определим
съдбата на Вселената, включва тъмната материя, която може да се оцени по гравитационния ѝ ефект и то по няколко различни способа. Дори и с тъмна материя Вселената
не е достатъчно плътна, за да колапсира обратно. Tomek Wooff иска да знае какви са перспективите пред бакалаврите и магистрите по физика. Страхотен въпрос, Томек.
Реална изследователска работа в областта обикновено изисква докторска степен. Но ако математиката ти се удава и обичаш физиката, това няма да те спре.
Все пак, може да се постигне доста и само с бакалавърска или магистърска степен по физика в промишлеността. Доста технически дисциплини търсят бакалаври и магистри по физика,
като образната диагностика или медицинската радиология, енергетиката, метеорологията, образованието и журналистиката в областта на науките, и най-вече информационните технологии. Ако избереш физика, винаги
би могъл да си „продадеш душата“ на големите пари във финансите, консултантските услуги, патентното дело и т.н. Завършилите физика са страхотни кандидати за работа поради големите им умения да разрешават проблеми.
През 2009 националната асоциация на колежите и работодателите установи, че завършилите физика имат най-високи начални заплати в сравнение с другите науки.
Mr. B пита за кадри с гафове от хвърлянията на ябълки. Съжалявам, Mr. B, но това е сериозно научно- образователно предаване. Не робуваме на хумора с гафове.
Сега като знаем, че вселената ще се разширява безкрайно, можем да почнем да завършваме първите уравнения на Фридман и да определим формата и геометрията на нашата вселена.
На пръв поглед, може да не ни се струва, че уравнението пасва, като че ли отговорите не излизат накрая и вселената е хиперболоид (като седло). Но когато добавим космологичната константа, уравнението се балансира и се връщаме към плоска вселена.
Това видео е трета част от поредицата за Тъмна Енергия на PBS Space Time
Част 1/4: Ще се разширява ли вселената завинаги?
Част 2/4: Тъмната енегия изчезна ли?!
Част 3/4: Защо Вселената се нуждае от Тъмна Енергия? (тази статия)
Част 4/4: Какво наистина прави Тъмната Енергия?
Приятно гледане!
