Проблема темной энергии в космологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОБЛЕМА ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ В КОСМОЛОГИИ

Ю.С. Гришкан

Ростовский государственный университет,

Аннотация

Классифицированы подсистемы, из которых состоит расширяющаяся Вселенная на поздних стадиях космологической эволюции. Построены космологические решения. Сделан вывод о доминирующей роли подсистемы космического вакуума на стадии ускорения расширения, которое наблюдается в настоящее время. Показано, что расширение Вселенной с ускорением является началом новой стадии инфляции. Кратко обсуждается тезис о неизбежности нарушения Пуанкаре - инвариантности в расширяющейся с ускорением Вселенной и ее возможные последствия.

вселенная космологический вакуум инвариантность

1. Введение

В течение последних нескольких лет на рубеже 21 века в космологии произошла революция, которая изменила наши представления о наблюдаемой Вселенной. Кратко эти представления можно суммировать в нескольких тезисах

1} во Вселенной доминирует вакуум, энергия которого примерно в 2.5 раза превосходит все остальные типы материи вместе взятые

2} динамикой космологичческого расширения на наблюдаемой стадии эволюции Вселенной управляет антигравитация

3) космологическое расширение ускоряется, переходя асимптотически в новую стадию инфляции

4) наблюдаемая Вселенная с высокой степенью точности является плоской (эффективный вклад кривизны пространства в энергетический баланс разных форм материи не превышает 5%).

Относительный вклад разных форм материи в энергию Вселенной задается вектором омега - параметров [1]

Здесь относительный вклад плотности энергии вакуума

относительный вклад плотности энергии материи

относительный вклад кривизны пространства

Численные значения этих параметров, известные из наблюдений сверхновых звезд в далеких галактиках, инфракрасных галактик, флуктуаций реликтового излучения есть

, , (2)

Для Вселенной с плоским трехмерным пространством и интервалом

(3)

можно получить космологическое решение для масштабного фактора пространства , которое параметризовано отношением друг к другу омега -параметров [1]

(4)

Здесь - текущее физическое время,

возраст мира (время, прошедшее с момента начала расширения)

масштабный фактор (радиус) Вселенной в наше время

Асимптотиками точного решения (4) являются

1) ,

- инфляционное решение Деситтера (5)

- решение Фридмана для плоской Вселенной (6)

Красное смешение в спектрах далеких галактик, связанное с расширением мира как целого, связано с масштабным фактором простой формулой

(7)

То есть, большим красным смещениям () и, следовательно, большим рассстояниям до космологических объектов соответствует Вселенная, которая расширилась до небольших размеров , за то время, которое прошло с момента начала ее эволюции. Из (6), (7) видно также, что при больших красных смещениях Вселенная расширялась по степенному закону Фридмана, а в будущем при временах эволюции значительно превосходящих сегодняшний возраст мира, она прейдет в стадию экспоненциально быстрого раздувания по закону Деситтера.

Скорость и ускорение расширения Вселенной считаются по формуле (4)

(8)

(9)

где ,

Из (8), (9) видно, что тогда как скорость расширения Вселенной меняется во времени монотонно, ее ускорение при

(10)

меняет знак на противоположный. При этом расширение с замедлением меняется на расширение с ускорением.

При расширении с ускорением энергия вакуумной среды преобладает над энергией материи . Так как вакуумная среда имеет уравнение состояния , то ее давление является отрицательным. Среда с отрицательным давлением не может быть устойчивой и, поэтому, быстро расширяется по закону (4), что обычно трактуется как преобладание сил антигравитации над обычной гравитацией, которая проявляется как притяжение материальных тел.

2. Нарушение Пуанкарэ - инвариантности

Еще одной особенностью космологической метрики (3) является явное нарушение пуанкарэ - инвариантности для пространства-времени. Действительно, законы расширения (8), (9), следующие из динамических уравнений Эйнштейна [1], явно неинвариантны относительно группы преобразований Пуанкарэ

(11)

В этих законах содержится только асимптотическая при симметрия группы преобразований Деситтера

, (12)

где - генератор симметрии.

По этой причине преобразований Пуанкарэ (и Лоренца) нет в уравнениях, описывающих эволюцию изотропной Вселенной. Однако, эта симметрия присутствует в них, как приближенная. Действительно, масштабный фактор можно разложить в ряд по постоянной Хаббла

(13)

который в силу связи (7) является одновременно разложением по красному смещению . При , что соответствует объектам с большими красными смещениями, удаленным от нас на расстояния порядка 1000 Мпс, разложение (13) заведомо несправедливо и Пуанкарэ - инвариантность нарушена. При малых красных смещениях , то есть для относительно близких объектов, пространство-время приближенно является плоским , и Пуанкарэ -инвариантность очень слабо нарушена постоянной Хаббла , то есть космологическим расширением. Характерный масштаб нарушения Пуанкарэ - симметрии определяется постоянной Хаббла , то есть скоростью расширения Вселенной. Так, для ближайших к нам блазаров МК 421 (), МК 501 (), пространство-время является приближенно Пуанкарэ - инвариантным. Это означает, что для расчета их спектров электромагнитного излучения приближенно применимы формулы квантовой электродинамики в плоском пространстве-времени. Сделанные здесь оценки и выводы справедливы, когда кроме нет других параметров, нарушающих Пуанкарэ -инвариантность.

Если же такие параметры существуют, то ее нарушение может наступить при распространении светового сигнала гораздо раньше и быть существенным в намного меньших масштабах пространства и времени. Тогда расчеты, выполненные в квантовой электродинамике надо будет корректировать уже для излучения, принимаемого от ближайших блазаров ( при расчете спектров излучения необходимо будет учесть нарушение законов сохранения энергии и импульса при распространении квантов света от этих объектов до наблюдателя на Земле). Вопрос, на который необходимо дать ответ, существуют ли такие параметры и каков их физический смысл.

3. Задержка световых сигналов от внегалактических источников излучения

В настоящее время предполагается, что наиболее адекватной моделью, объединяющей при высоких энергиях все физические взаимодействия в природе, является модель суперструн. Суперструна является десятимерным геометрическим объектом, обладающим внутренними степенями свободы. При высоких энергиях Гэв этот объект естественным образом объединяет существующие в области низких энергий физические поля в единое целое. Так как суперструна (подобно конденсированной среде) обладает внутренними степенями свободы в ее структуре могут появляться дефекты, аналогичные дефектам в твердом теле. При низких энергиях суперструна компактифицируется на четырехмерное пространство-время с дефектами и набор известных физических полей, в том числе, полей входящих в стандартную модель (СМ) физических взаимодействий. Если на дефектах, входящих в структуру такого компактифицированного четырехмерного пространства-времени, рассеивается, например, свет, то он отдает часть своего импульса дефекту, при этом скорость световой волны понижается.

Дефекты пространства-времени можно рассматривать, как определенным образом упорядоченные квантовые флуктуации (пространственно-временную пену), и следовательно, возникающий эффект отдачи должен зависеть от характерной энергии квантовых флуктуаций и энергии падающей световой волны). Для ответа на вопрос о том, как меняется скорость света в пространстве-времени с нарушенной вектором изотропией, приравняем друг к другу изотропный интервал плоского четырехмерного пространства-времени и изотропный интервал пространства-времени с вектором - . Здесь скорость света в анизотропном пространстве-времени с дефектами, отображаемыми компонентами вектора , эффективная скорость света в эквивалентном ему пространстве-времени, которое ассоциируется с наблюдателем, принимающПриравняв , получим

(14)

Ориентируем вектор оси координат Тогда последнее соотношение примет вид

(15)

Перепишем (15) относительно обратной скорости распространения света вдоль изотропной геодезической

(16)

Обращая (16) относительно , находим скорость света в пространстве с дефектами

(17)

Дефекты пространства -времени созданы пеной квантовых флуктуаций на уровне планковских масштабов см

Размещено на Allbest.ru