<< 7. Mir antityagoteniya
| Oglavlenie |
9. Komp'yuternoe modelirovanie >>
8. Blizhnyaya Vselennaya i lokal'naya kosmologiya
Hotya temnaya energiya byla otkryta na ochen' bol'shih, global'nyh rasstoyaniyah, ona v deistvitel'nosti dolzhna prisutstvovat' vezde v mire i pritom ee plotnost' dolzhna byt' vsyudu odinakova i ne menyaetsya so vremenem. Nasha ideya sostoit v tom, chto temnaya energiya prisutstvuet i v blizhnei Vselennoi, zapolnyaya ee prostranstvo ideal'no ravnomerno. Nikakih neposredstvennyh eksperimental'nyh ukazanii na eto do sih por ne obnaruzhivalos'. No esli prinyat' interpretaciyu temnoi energii v duhe Einshteina i Glinera, takoe dopushenie sleduet schitat' estestvennym, a to i vovse neizbezhnym.
Esli tak (a eto eshe predstoit proverit' - sm. nizhe), blizkie galaktiki, kotorye nablyudal v svoe vremya Habbl, dvizhutsya ne v pustote, a na odnorodnom fone kosmicheskogo vakuuma. Vakuum s ego temnoi energiei sozdaet zdes' - kak i v global'nyh masshtabah - antityagotenie, a ono stremitsya zastavit' galaktiki dvigat'sya drug ot druga i pritom s uskoreniem. Takov ishodnyi punkt nashei teorii blizhnei Vselennoi.
Dalee, nuzhno ponyat', kakie eshe sily, krome antityagoteniya vakuuma, deistvuyut na blizhnie galaktiki. Osobenno interesny dlya nas samye blizkie rasstoyaniya - te, gde beret nachalo habblovskii potok rasshireniya. K schast'yu, dlya intervala rasstoyanii ot 1 do 3-5 Mpk my raspolagaem bogatymi rezul'tatami obshirnyh, sistematicheskih i vysokotochnyh nablyudenii, provodimyh I.D. Karachencevym i ego sotrudnikami (SAO RAN) na 6-metrovom teleskope SAO i orbital'nom Habblovskom teleskope. Eti dannye pozvolyayut poluchit' yasnoe predstavlenie o blizhaishem k nam ob'eme kosmicheskogo prostranstva s poperechnikom 6-10 Mpk.
V centre etogo ob'ema raspolagayutsya dve gigantskie galaktiki -
nasha Galaktika Mlechnyi Put' i galaktika Andromedy. Oni obrazuyut
svyazannuyu paru i dvizhutsya navstrechu drug drugu. V sovremennuyu
epohu rasstoyanie mezhdu nimi sostavlyaet 0,7 Mpk. Polnaya massa etoi
pary galaktik, vklyuchaya i skrytye massy vokrug nih, sostavlyaet 1,5
trilliona (
) mass Solnca. Vmeste s sotnei melkih
galaktik-karlikov, eti dve galaktiki obrazuyut Mestnuyu gruppu
galaktik, prichem vklad karlikov v ee polnuyu massu prenebrezhimo
mal po sravneniyu s massoi dvuh gigantov. Poperechnik gruppy blizok
k 1 Mpk.
Vokrug Mestnoi gruppy do rasstoyanii v 3 Mpk ot ee centra tyazhesti
nablyudayutsya desyatki galaktik-karlikov habblovskogo potoka. Oni
dvizhutsya v raznye storony ot centra. Dlya treh desyatkov iz nih
gruppoi Karachencev prodelany vysokotochnye izmereniya skorosti (s
oshibkoi ne bolee 1-2 km/sek) i rasstoyaniya (s oshibkoi ne bolee
10%). Soglasno etim dannym, blizhaishie galaktiki dvizhutsya v
polnom sootvetstvii s zakonom Habbla: skorost' potoka
proporcional'na rasstoyaniyu. Izmerennoe znachenie lokal'noi
postoyannoi Habbla sostavlyaet 
km/sek/Mpk. A dispersiya
skorostei sovsem mala - vsego 25-30 km/sek.
Eti melkie galaktiki prakticheski ne vzaimodeistvuyut mezhdu soboi; k tomu zhe ih polnaya massa prenebrezhimo mala po sravneniyu s massoi Mestnoi gruppy, tak chto karliki lokal'nogo potoka vpolne mozhno rassmatrivat' kak "probnye chasticy", kotorye dvizhutsya v pole tyagoteniya Mestnoi gruppy i pole antityagoteniya temnoi energii.
Iz vseh etih dannyh i soobrazhenii vytekaet prostaya kartina blizhnego ob'ema Vselennoi. Glavnye ee cherty takovy: imeetsya central'naya massa Mestnoi gruppy i razbegayushiesya ot nee galaktiki blizhaishego habblovskogo potoka; vse eto pogruzheno v odnorodnuyu temnuyu energiyu kosmicheskogo vakuuma.
Takuyu kartinu netrudno opisat' teoreticheski. Rassmotrim prezhde
vsego sily, deistvuyushie na kakuyu-to chasticu habblovskogo potoka
(karlikovuyu galaktiku). Vyberem sistemu otscheta s nachalom
koordinat v centre Mestnoi gruppy, a samu etu gruppu budem
rassmatrivat' prosto kak tochechnuyu massu. Takoe priblizhenie vpolne
priemlemo dlya nashih celei (ob utochneniyah sm nizhe). Esli
central'naya massa est' 
, a massa chasticy 
, to na poslednyuyu
vozdeistvuet n'yutonovskaya sila tyagoteniya
Zdes' 
- postoyannaya tyagoteniya, 
- rasstoyanie do chasticy ot
centra. Znak minus ukazyvaet na to, chto sila vzaimnogo tyagoteniya
stremitsya sblizit' tela.
Na n'yutonovskom yazyke sil mozhno opisat' i vsemirnoe antityagotenie kosmicheskogo vakuuma. Iz obshei teorii otnositel'nosti, "perevedennoi" na etot yazyk, vytekaet, chto einshteinovskaya sila antityagoteniya, deistvuyushaya mezhdu dvumya telami, pryamo proporcional'na rasstoyaniyu mezhdu nimi. Eta sila sozdaetsya ne telami, a vakuumom - sredoi, v kotoruyu oni pogruzheny. Poetomu ona opredelyaetsya plotnost'yu vakuuma:
Znak plyus oznachaet, chto eta sila ottalkivaet tela drug ot druga.
Eta formula uchityvaet, chto tyagotenie sozdaetsya kak plotnost'yu
energii lyuboi sredy, tak i ee davleniem: v nee vhodit effektivnaya
gravitiruyushaya plotnost' vakuuma 
.
Iz poslednei formuly mozhno uvidet', chto na chasticu deistvuet
"effektivnaya" (ili polnaya) massa vakuuma, zaklyuchennaya v sfere
radiusa . Eta massa est' proizvedenie effektivnoi plotnosti na ob'em sfery
Esli k etoi masse
primenit' n'yutonovskii zakon obratnyh kvadratov (kak dlya sily
vyshe), to kak raz i poluchim formulu dlya 
. Pri etom
znak "minus" ot effektivnoi plotnosti vmeste so znakom "minus" iz
n'yutonovskoi formuly dayut znak "plyus" dlya sily .
Na lyubuyu chasticu habblovskogo potoka deistvuet summa sil:
Iz etih prostyh formul vidno, chto tyagotenie dominiruet na malyh
rasstoyaniyah, 
: ono tem sil'nee, chem blizhe tela drug k
drugu. A antityagotenie preobladaet na bol'shih rasstoyaniyah, 
: ono tem sil'nee, chem dal'she tela drug ot druga. Summa sil
ravna nulyu na rasstoyanii
Na etom rasstoyanii ot centra tyagotenie central'noi massy tochno kompensiruetsya antityagoteniem vakuuma. Eto radius nulevogo uskoreniya, kak my ego budem nazyvat'.
Esli schitat' (kak prinyato vyshe), chto plotnost' temnoi energii imeet vblizi nas to zhe znachenie, chto i na samyh dalekih rasstoyaniyah, to radius nulevogo uskoreniya mozhno legko ocenit'. Dlya ukazannyh vyshe znachenii plotnosti vakuuma i massy Mestnoi gruppy on sostavit 1,3 Mpk. Vspomnim, chto, soglasno nablyudeniyam, habblovskii potok rasshireniya nachinaetsya s pochti teh zhe rasstoyanii v 1-2 Mpk. Eto blizkoe sovpadenie daleko ne sluchaino (sm. nizhe).
Rasstoyanie 
, na kotorom sila tyagoteniya Mestnoi gruppy
kompensiruetsya siloi antityagoteniya temnoi energii vakuuma, igraet
v nashei teorii tu zhe rol', chto i moment nulevogo uskoreniya v
global'noi kosmologii, o kotorom my govorili vyshe. Raznica tem ne
menee ves'ma sushestvenna: v kosmologii Fridmana balans tyagoteniya i
antityagoteniya voznikaet lish' na mig, no ohvatyvaet ves'
global'nyi mir; a v blizhnei Vselennoi etot balans sushestvuet
vsegda, no tol'ko na odnom konkr;;etnom rasstoyanii ot centra.
Eto sravnenie luchshe vsego illyustriruet osnovnoe razlichie mezhdu global'noi kosmologiei i nashei teoriei blizhnei Vselennoi. Central'nyi punkt sostoit v tom, chto teoriya Fridmana - eto teoriya evolyucioniruyushego, izmenyayushegosya vo vremeni mira. A lokal'naya kosmologiya imeet delo so staticheskim polem tyagoteniya/antityagoteniya, kotoroe ne menyaetsya so vremenem i vsegda odno i to zhe. Esli govorit' ne na n'yutonovskom yazyke sil, a na yazyke obshei teorii otnositel'nosti, to nuzhno skazat', chto global'noe prostranstvo-vremya nestatichno, a prostranstvo-vremya blizhnei Vselennoi statichno. Zametim, chto statichnost' lokal'nogo prostranstva-vremeni - principial'nyi fakt obshei teorii otnositel'nosti, a ne prosto rezul'tat togo, chto v malyh masshtabah primenima n'yutonova fizika absolyutnogo prostranstva i absolyutnogo vremeni.
No imeetsya i ne menee principial'noe shodstvo mezhdu dvumya
teoriyami. Kak v global'nom, tak i v lokal'nom masshtabe osnovnym,
dominiruyushim faktorom v dinamike habblovskogo potoka yavlyaetsya
kosmicheskii vakuum s ego vsyudu odinakovoi temnoi energiei. Imenno
on upravlyaet (pochti isklyuchitel'no) dvizheniem galaktik v
global'nom masshtabe sovremennoi Vselennoi. No on zhe (prakticheski
polnost'yu) kontroliruet i dvizhenie galaktik-karlikov blizhnego
habblovskogo potoka na rasstoyaniyah, prevyshayushih radius nulevogo
uskoreniya .
Na dostatochno bol'shih rasstoyaniyah ot Mestnoi gruppy ee tyagoteniem mozhno polnost'yu prenebrech' po sravneniyu s antityagoteniem temnoi energii vakuuma. Na takih rasstoyaniyah galaktiki lokal'nogo habblovskogo potoka dvizhutsya na ideal'no regulyarnom fone vakuuma, kotoryi ih razgonyaet (vernei, podgonyaet).
V etom predel'nom sluchae rasstoyanie chasticy potoka ot centra vozrastaet so vremenem, kak legko videt', po eksponencial'nomu zakonu:
gde snova poyavlyaetsya harakternoe "vakuumnoe" vremya
Tak global'noe rasshirenie vsei Vselennoi i lokal'noe razbeganie galaktik v blizhnem ob'eme okazyvayutsya dinamicheski shodnymi i svyazannymi - blagodarya temnoi energii vakuuma.
Esli podstavit' v vyrazhenie dlya 
znachenie plotnosti vakuuma,
to uvidim, chto vremya blizko k sovremennomu vozrastu mira,
14-15 mlrd. let. Eto, konechno, ne sluchainoe sovpadenie; ono
voznikaet iz-za togo, chto vozrast mira ne ochen' sil'no (vsego
raza v 2) uvelichilsya ot toi epohi, kogda v global'nom masshtabe
proizoshel perehod ot zamedlyayushegosya kosmologicheskogo rasshireniya k
uskoryayushemusya (sm. vyshe).
Vot chto osobenno interesno: eksponencial'nyi zakon rasstoyanii daet dlya lokal'nogo razbeganiya galaktik i eksponencial'nuyu zavisimost' dlya skorosti (posle differencirovaniya po vremeni). A eto oznachaet, chto skorost' okazyvaetsya proporcional'noi rasstoyaniyu - kak i trebuetsya po zakonu Habbla:
Zdes' postoyannaya 
vyrazhaetsya cherez harakternoe
"vakuumnoe" vremya. Esli pereiti k prinyatym v astronomii edinicam,
to uvidim, chto 
km/sek/Mpk. My nazyvaem velichinu 
universal'noi postoyannoi Habbla. Ona deistvitel'no postoyannaya -
ne zavisit ni ot rasstoyanii ili napravlenii na nebe, ni ot
vremeni. Tak kak eta konstanta vyrazhaetsya cherez harakternoe vremya
, obshee dlya global'noi i lokal'noi dinamiki rasshireniya,
velichina universal'na: ona "rabotaet" i v lokal'noi i v
global'noi kosmologii, - v predele, kogda plotnost' temnoi
energii vsyudu dominiruet.
Vazhno, chto vse chasticy lokal'nogo potoka, nezavisimo ot ih predystorii (to est' ot nachal'nyh uslovii) perehodyat rano ili pozdno na zakon eksponencial'nogo razbeganiya s habblovskim zakonom skorosti. Eto obshee budushee dlya ochen' shirokogo klassa dvizhenii na tom dinamicheskom fone, kotoryi imeetsya v blizhnei Vselennoi. Eksponencial'nyi rezhim - eto ih obshii dinamicheskii attraktor, kak prinyato v takih sluchayah govorit'. S priblizheniem k etomu rezhimu lyubaya traektoriya "prityagivaetsya" k ekponencial'noi asimptoticheskoi traektorii, tak chto lyuboi ishodnyi potok chastic deistvitel'no stanovitsya regulyarnym, spokoinym i holodnym (esli vospol'zovat'sya slovami Sendidzha).
Ne menee vazhno i to, chto global'noe kosmologicheskoe rasshirenie
tozhe perehodit na eksponencial'nyi rezhim v predele bol'shih vremen
(sm. predydushii paragraf). Zakon habbla sushestvuet v bol'shih
masshtabah iznachal'no, ot Bol'shogo Vzryva. A eksponencial'nyi rezhim
razbeganiya galaktik ustanavlivaetsya asimptoticheski na bol'shih
vremenah, kogda plotnost' obychnogo veshestva, ubyvayushaya v hode
kosmologicheskogo rasshireniya, stanovitsya gorazdo men'she plotnosti
temnoi energii. V takom predele global'naya postoyannaya Habbla
stremitsya k universal'noi postoyannoi Habbla .
Zamechatel'noe obstoyatel'stvo sostoit v tom, chto i global'nyi i lokal'nyi potoki real'no ves'ma blizki k etomu predelu. Otsyuda vytekaet ih porazitel'noe shodstvo, eshe nedavno stavivshee v tupik i teoretikov i astronomov. Deistvitel'no: v oboih sluchayah imeet mesto i sam fakt rasshireniya, i zakon Habbla s blizkimi znacheniyami sootvetstvuyushih postoyannyh. A vse delo v tom, chto temnaya energiya pochti bezrazdel'no carstvuet i v dalekoi (seichas) i v blizkoi (no ne slishkom) Vselennoi.
Itak, asimptoticheskoe shodstvo dvuh teorii - global'noi i lokal'noi, - estestvennym obrazom dopolnyayushih drug druga, razreshaet paradoks Habbla-Sendidzha. Deistvitel'no, vezde, gde dominiruet vakuum s ego vsyudu odinakovoi plotnost'yu, tela dolzhny udalyat'sya drug ot druga. Pri etom temp rasshireniya, harakterizuemyi postoyannoi Habbla, dolzhen byt' prakticheski odinakov pri takih obstoyatel'stvah i vblizi nas i na samyh bol'shih rasstoyaniyah vo Vselennoi. Kogda dvizhenie tel upravlyaetsya glavnym obrazom temnoi energiei, postoyannaya Habbla opredelyaetsya (pochti) isklyuchitel'no odnoi tol'ko plotnost'yu temnoi energii - tak govorit i kosmologiya Fridmana i lokal'naya kosmologiya. V teoreticheski myslimom predel'nom sluchae, kogda vsyudu v mire bezrazdel'no carit vakuum, postoyannaya Habbla dolzhna byt' - vo vsei oblasti masshtabov ot nas i do kraya Vselennoi - strogo odnoi i toi zhe. Ee chislennoe znachenie vyrazhaetsya v etom predele tol'ko cherez plotnost' temnoi energii i sostavlyaet 60 km/sek/Mpk. A eto sovsem blizko k real'nym cifram, davaemym astronomami kak dlya global'noi, tak i dlya blizhnei Vselennoi (sm. vyshe). V predelah real'noi oshibki nablyudenii vse tri velichiny - global'naya postoyannaya Habbla, lokal'naya postoyannaya Habbla i universal'naya postoyannaya Habbla - prakticheski sovpadayut.
<< 7. Mir antityagoteniya | Oglavlenie | 9. Komp'yuternoe modelirovanie >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Kosmologiya - temnaya energiya
Publikacii so slovami: Kosmologiya - temnaya energiya | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
