: Introducing the Idea of an Expanding Universe

Оглавление

Сбросить всё

←

→

Английский оригинал	Перевод на русский
Сожалеем, но текст оригинала доступен только зарегистрированным пользователям.	Введение в теорию расширяющейся вселенной ilves_ArtO 04.09.14 в 20:41 0
	Даже спустя два столетия после Ньютона Альберт Эйнштейн был сильно подвержен влиянию идеи о неизменяющейся вселенной. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:42 0
	Его общая теория относительности предсказывала динамическую вселенную - такую, которая существенно меняется с течением времени - так что он ввёл в теорию элемент, названный космологической постоянной, чтобы сделать вселенную статичной и постоянной. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:42 0
	Несколько лет спустя это стало считаться ошибкой, когда астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что вселенная расширяется! ilves_ArtO 04.09.14 в 20:42 0
	Даже сегодня следствия из космологической постоянной в теории общей относительности оказывают огромное воздействие на физику, заставляя приверженцев теории струн целиком пересматривать свои методы. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:42 0
	Уравнения теории общей относительности, которые разработал Эйнштейн, показывали, что сама ткань пространства расширялась либо сжималась. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:42 0
	Для Эйнштейна это не имело никакого смысла, так что в 1917 г. он добавил в уравнения космологическую постоянную. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Этот элемент представлял собой форму отталкивающей гравитации, которая точно уравновешивала притягивающее воздействие гравитации. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Когда Хаббл показал, что вселенная действительно расширяется, Эйнштейн назвал введение космологической постоянной своей "величайшим ошибкой" и удалил её из уравнений. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Годами позже эта идея будет возвращена, как можно увидеть в разделе "Тёмная энергия: разрывая вселенную на части" далее в этой главе. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	С открытием тёмной энергии "ошибка" Эйнштейна будет признана необходимым параметром в его теории (хотя физики большую часть века предполагали, что значение космологической постоянной равно нулю). ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Открытие того, что энергия и давление имеют притяжение ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Согласно теории гравитации Ньютона, тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Теория относительности Эйнштейна показала, что масса и энергия связаны. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Следовательно, как масса, так и энергия вызывают гравитационное воздействие. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:43 0
	Кроме того, оказалось возможным, что пространство само может порождать давление, которое искажает пространство. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:44 0
	Чтобы показать, как эта энергия и давление влияют на расширение и сжатие пространства, было построено несколько моделей. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:44 0
	Когда Эйнштейн создал свою первую модель, основанную на общей теории относительности, он понял, что она предусматривает наличие расширяющейся вселенной. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:44 0
	В то время ни у кого не было особых причин считать вселенную расширяющейся, и Эйнштейн предположил, что это недостаток его теории. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:44 0
	Уравнения общей теории относительности Эйнштейна допускали введение дополнительного элемента, оставаясь математически корректными. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:46 0
	Эйнштейн выяснил, что этот элемент может отображать положительную энергию (или отрицательное давление), равномерно распределённую по всей ткани пространства-времени, которая будет действовать как антигравитация, или отталкивающая форма гравитации. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:48 0
	Этот элемент был выбран именно для того, чтобы уравновесить сжатие вселенной, так что она оставалась бы статичной (или неизменной во времени). ilves_ArtO 04.09.14 в 20:48 0
	В 1917 г., в тот же год, когда Эйнштейн опубликовал свои уравнения, содержащие космологическую постоянную, голландский физик Виллем де Ситтер применил их к вселенной без материи. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:50 0
	(Как я объясняю в главе 4, это часто встречающийся ход в научном анализе - вы удаляете из научной теории все усложнения и рассматриваете её в простейших случаях.) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:50 0
	В этом пространстве де Ситтера единственной существующей вещью была энергия вакуума - сама космологическая постоянная. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:50 0
	Даже во вселенной, в которой полностью отсутствует материя, это значит, что пространство будет расширяться. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:50 0
	Пространство де Ситтера имеет положительное значение космологической постоянной, которая также может быть охарактеризована как положительная кривизна пространства-времени. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:50 0
	Подобная модель с отрицательной космологической константой (или отрицательной кривизной, в которой расширение замедляется) названа пространством анти-де Ситтера. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:50 0
	(Подробнее о кривизне пространства-времени немного позже.) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:51 0
	В 1922 г. русский физик Александр Фридман занялся решением тщательно проработанных уравнений общей относительности, однако решил делать это в самом общем случае, посредством использования космологического принципа (который можно рассматривать как более общий случай принципа Коперника), состоящего из двух предположений: ilves_ArtO 04.09.14 в 20:51 0
	• Вселенная выглядит одинаково во всех направления (изотропна). ilves_ArtO 04.09.14 в 20:51 0
	• Вселенная однородна независимо от того, куда вы движетесь (гомогенна). ilves_ArtO 04.09.14 в 20:51 0
	С этими допущениями уравнения становятся намного проще. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:51 0
	И первоначальная модель Эйнштейна, и модель де Ситтера обернулись особыми случаями этого более общего исследования. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:51 0
	Фридман мог установить решение, зависящее только от трёх параметров: ilves_ArtO 04.09.14 в 20:52 0
	• константы Хаббла (скорость расширения вселенной) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:52 0
	• лямбды (космологическая константа) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:52 0
	• омеги (средняя плотность материи во вселенной) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:52 0
	По сей день учёные пытаются определить эти значения так точно, как только могут, но даже без реальных значений они способны охарактеризовать три возможных решения. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	Каждое из них соответствует определённой "геометрии" пространства, которая в упрощённом виде может быть представлена как естественная кривизна пространства во вселенной, как изображено на рис. 9-2. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	• Закрытая вселенная. Во вселенной достаточно материи, чтобы гравитация в конце концов взяла верх над расширением пространства. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	Геометрия такой вселенной имеет положительную кривизну, такую, как сфера в левой части рис. 9-2. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	(Это сравнимо с первоначальной моделью Эйнштейна без космологической постоянной.) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	• Открытая вселенная. Для того, чтобы остановить расширение, материи недостаточно, так что вселенная продолжит расширяться вечно с одной и той же скоростью. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	Это пространство-время имеет отрицательную кривизну, и его форма подобна седлу, как изображено в центре рис. 9-2. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:53 0
	• Плоская вселенная. Расширение вселенной и плотность материи идеально сбалансированы, так что расширение вселенной с течением времени замедляется, но никогда не остановится полностью. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:54 0
	Это пространство не имеет общей кривизны, как показано в правой части рис. 9-2. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:54 0
	(Сам Фридман не нашёл это решение; оно было обнаружено годы спустя.) ilves_ArtO 04.09.14 в 20:54 0
	Рисунок 9-2: Три типа вселенных: закрытые, открытые и плоские. ilves_ArtO 04.09.14 в 20:54 0
	Эти модели сильно упрощены, но они необходимы, так как уравнения Эйнштейна становятся крайне сложными в случаях, когда вселенная заполнена большим количеством материи, и всё ещё не существует суперкомпьютеров, способных выполнить все математические расчёты (и даже физики время от времени хотят ходить на свидания). ilves_ArtO 04.09.14 в 20:55 0

Следующая страница →