Астронет > 3. Физический вакуум и его плотность

Астронет: А. Д. Чернин/ГАИШ Физический вакуум и космическая анти-гравитация
http://www.astronet.ru/db/msg/1174484/node4.html

Физический вакуум и космическая анти-гравитация

<< 2. Гипотеза Эйнштейна | Оглавление | 4. Анти-гравитация и ускоряющееся ... >>

3. Физический вакуум и его плотность

Как уже сказано, вакуум явился в космологию с эйнштейновской космологической постоянной , и его плотность выражается через значение этой постоянной:

(1)

Здесь и далее используется система единиц, в которой скорость света

;

- ньютоновская гравитационная постоянная.

Вакуум обладает не только определенной плотностью энергии, но также и давлением. Если плотность вакуума положительна, то его давление отрицательно. Связь между давлением и плотностью, т.е. уравнение состояния, имеет для вакуума вид . Это - и только это - уравнение состояния совместимо с определением вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета.

Уравнение состояния вакуума непосредственно выводится в теории квантовых полей [12]. Но значение его плотности таким прямым путем получить в теории до сих пор не удается; как уже упомянуто выше, это острая проблема, и мы еще вернемся к этой теме в конце статьи.

Согласно фридмановской теории, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением в комбинации . Вакуум вызывает анти-гравитацию именно потому, что его эффективная гравитирущая энергия, , отрицательна при положительной плотности.

По наблюдательным данным о сверхновых [1], о которых мы упоминали, плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. Значение плотностей удобно выразить в единицах критической плотности г/см, где км/с/Мпк - постоянная Хаббла. Тогда относительная плотность вакуума

(2)

Найденное по сверхновым, это значение ваккуумной плотности подтверждается всей совокупостью имеющихся сведений о возрасте самых старых звезд Галактики, о формировании крупномасштабной структуры и особенно об анизотропии реликтового излучения в комбинации с данными о динамике богатых скоплений галактик (см. [13-15] и имеющиеся там ссылки).

Лишь немного уступает вакууму по плотности скрытая масса, или, как чаще в последнее время говорят, темное вещество:

(3)

Пожалуй, плотность - это то, что как раз лучше всего известно об этой компоненте космической среды. Темное вещество не излучает ни света, ни других электромагнитных волн, и вообще практически не взаимодействует с электромагнитным излучением. В нашей Галактике темного вещества приблизительно в 10 раз больше, чем светящегося вещества звезд. Оно образует обширную невидимую корону, или гало, вокруг звездного диска Млечного Пути. Подобные темные гало имеются, по-видимому, у всех достаточно массивных изолированных галактик. Темное вещество содержится также в группах галактик и в самых больших космических системах - скоплениях и сверхскоплениях галактик. Как и в нашей Галактике, темное вещество составляет до 90 %, а иногда и более, полной массы всех этих систем. Оно проявляется только благодаря создаваемому им тяготению, и именно по своему гравитационному эффекту оно и было впервые обнаружено (точнее, заподозрено) еще в 1930-е годы Ф. Цвикки, который изучал кинематику и динамику богатого скопления галактик в созвездии Кома (или Волосы Вероники). Галактики в этом скоплении движутся со скоростями около тысячи километров в секунду, и при таких скоростях удержать их в наблюдаемом объеме скопления можно лишь при условии, что полная масса скопления раз в десять больше суммарной массы составляющих его галактик. Как сказано в книге [8], основанной на записях лекций Я.Б. Зельдовича в МГУ, `кажется совершенно удивительным, что Вселенная более чем на 90% по массе состоит из неизвестной нам формы материи. Однако этот вывод, по-видимому, неизбежен'. Важность проблемы темного вещества очевидна, но не менее очевидна и ее чрезвычайная сложность. До сих пор не известна физическая природа носителей темного вещества; обсуждается очень широкий диапазон возможностей - от элементарных частиц с малой (меньше массы электрона) массой до звезд-карликов, массивных (больше массы солнца) черных дыр и т.п. Массы кандидатов на эту роль различаются, таким образом, на добрых 60 порядков величины, - такова реальная численная мера имеющейся в настоящее время неопределенности в этом вопросе.

За темным веществом следует светящееся вещество звезд и галактик; в соотвествии с уже сказанным, его космическая плотность (средняя по всему наблюдаемому объему мира) на порядок величины меньше плотности темного вещества:

(4)

Наконец, четвертой компонентой космологической среды является излучение, или ультрарелятивистская среда, с плотностью

(5)

где постоянный множитель

учитывает вклад нейтрино, гравитонов и других возможных ультрарелятивистских частиц и полей космологического происхождения, добавочный к очень хорошо измеренному вкладу реликтового излучения; в оценке этого вклада имеется, как видим, значительная неопределенность.

Таковы современные данные о плотностях, удовлетворяющие, как кажется, всем имеющимся на сегодняшний день наблюдательным ограничениям. При приведенном выше значении постоянной Хаббла эти данные совместимы как с открытой и плоской [13,15], так, вообще говоря, и с закрытой космологическими моделями. Плоской модели отвечает ; в открытой модели эта сумма относительных плотностей меньше единицы, а в закрытой больше.

Иногда в литературе, особенно научно-популярной, а тем более рекламной (пресс-релизы, интервью и т.п.), можно встретить утверждения о том, что плоская модель полностью доказана теоретически (со ссылкой, например, на модель инфляции) или окончательно подтверждена такими-то и такими-то сверхточными наблюдениями. На одном из семинаров в ГАИШ МГУ гость-докладчик сообщал в качестве свежей новости, привезенной с последней заграничной конференции, что плоская модель теперь уже несомненно доказана, ибо измеренная величина есть единица. Кто-то спросил из зала: А с какой точностью измерена омега? Единица плюс-минус сколько? Так как докладчик медлил с ответом, Р.А. Сюняев сообщил, что по его сведениям, точность была в том конкретном случае...

Замечательно, что по поводу самих по себе цифр (2-5) в космологическом сообществе установилось небывалое до того всеобщее единодушие и согласие, которое - ввиду уникальности явления - получило специальное название: космический конкорданс [15]. В одном только пункте конкорданс не полон; одни считают, что открыт именно вакуум, тогда как другие предпочитают иную интерпретацию, предполагая, что космологическое ускорение создается не вакуумом, а неизвестной до сих пор и полностью гипотетической квинтэссенцией. Под последней понимается [16] особая форма космической энергии с уравнением состояния , где - постоянный параметр, значения которого лежат в интервале . Легко видеть, что эффективная гравитирующая плотность отрицательна для этого вида энергии. Это значит, что не будучи вакуумом, квинтэссенция тоже способна создавать анти-гравитацию, а значит и ускорение космологического расширения. В картине мира классической древности квинтэссенция - пятая стихия, плюс к земле, воде, воздуху и огню; это космическая субстанция, и из квинтэссенции, как считалось, состоят небесные тела. Слово красивое, гипотеза популярна; это и понятно, она создает новую `степень свободы' в космологии; остается дождаться новых интересных результатов на этом пути.

В этом месте стоит, по-видимому, сказать о космологической терминологии, которая частично изменилась после и вследствие открытия космического вакуума. Это не только появление конкорданса и квинэссенции; есть и другие новые термины, которыми тоже широко пользуются в последние 2-3 года, хотя их содержание все еще и не вполне устоялось. Различные компоненты космологической среды все чаще называют формами космической энергии, включая сюда и вакуум как одну из них. Скрытые массы, которые считаются холодными, т.е. нерелятивистскими, называют и темной энергией, и темной материей. В некоторых публикациях темной энергией называют вакуум и квинтэссенцию вместе (но это, кажется, не очень удачное нововведение). `Обычное' вещество называют барионами, хотя, конечно, в нем есть и электроны, а из барионов имеются в виду чаще всего только протоны и нейтроны. Реликтовое излучение, гравитоны и все вместе ультрарелятивистские частицы и поля космологической природы называют релятивистской энергией.

<< 2. Гипотеза Эйнштейна | Оглавление | 4. Анти-гравитация и ускоряющееся ... >>