Temnaya Energiya

Pol' Frempton

	Perevod: Elena N. Kirillova	Original'naya stat'ya
		astro-ph/0409166

1. Plan

• Kakie nablyudeniya i teoreticheskie predpolozheniya podrazumevayut nalichie Temnoi Energii (TE)?
• Esli obshaya otnositel'nost' (OTO) verna na vseh masshtabah dliny (naibolee konservativnoe predpolozhenie), togda sushestvovanie TE sleduet iz Supernovyh tipa 1A (C1A), ili, nezavisimo, iz Kosmicheskogo Mikrovolnovogo Fonovogo Izlucheniya (FI), skombinirovannogo s Krupnomasshtabnoi Strukturoi (KS)
• Vser'ez li my schitaem, chto OTO verna na bol'shih rasstoyaniyah?

 

2. Uravneniya Einshteina-Fridmana

Einshteinovskie uravneniya svyazyvayut geometriyu s Levoi Storony (LS) s raspredeleniem massy-energii s Pravoi Storony (PS):

Gμν = - 8πGTμν.

(1)

My ne reshaemsya izmenit' LS, no ona deistvitel'no tochno proverena tol'ko dlya masshtabov Solnechnoi Sistemy (SS). Na kosmologicheskih masshtabah my mozhem rassmatrivat' modifikaciyu OTO - takuyu, kak gravitaciya bolee vysokogo poryadka (higher-dimensional gravity).

Esli s PS my vklyuchaem tol'ko izluchenie i Temnuyu Materiyu (TM), etogo nedostatochno (pri neizmennoi LS) i neobhodimo dobavit' chlen, nazyvaemyi kosmologicheskoi konstantoi, ili, v bolee obshem ponimanii, temnoi energiei.

 

3. Nablyudatel'nye sledstviya

Chto mozhet ogranichivat' TE?

• Izmerenie istorii rasshireniya H(t)
• Vremennaya zavisimost' uravneniya sostoyaniya w(t)
• Poisk kakih libo svoistv TE gruppirovat'sya. V nastoyashem net nikakih dokazatel'stv etomu
• Kak TE svyazana s TM? Eto svyazano s voprosom o gruppirovanii TE (esli TE gruppiruetsya)
• Lokal'nye proverki OTO i principa ekvivalentnosti, hotya ekstrapolyaciya OTO s SS na Vselennuyu na 13-15 poryadkov velichiny sravnima s ekstrapolyaciei s shkaly slabogo vzaimodeistviya na shkalu TVO v fenomenologii chastic. Obychnyi metod pri otsutstvii gipotez.

 

4. Λ kak TE: pochemu 10^-122 (plank.massy)⁴?

My znaem po Lembovskomu sdvigu i Effektu Kazimira v kvantovoi elektrodinamike, chto vakuumnye fluktuacii - eto real'nyi effekt.

Esli my rasschitaem znachenie Λ, ono budet poprostu imet' ul'trafioletovuyu (UF) chetvertichnuyu rashodimost'. Naibolee estestvennoe UF-obrezanie v OTO est' Plankovskaya massa ~ 10¹⁹ GeV, i togda

Λ ~ (1019 GeV)4 = (1028 eV)4 = 10112 (eV)4.

(2)

Esli, vmesto etogo, my ispol'zuem masshtab slabogo vzaimodeistviya ~ 100 GeV kak UF-obrezanie, to prihodim k

Λ ~ (100 GeV)4 = (1011 eV)4 = 1044 (eV)4.

(3)

Nablyudaemoe znachenie Λ, odnako, vsego lish'

Λ ~ (3*10-3 eV)4 ~ 10-10 (eV)4.

(4)

 

5. Problema sovpadeniya

Sushestvuet i vtoraya problema s Λ, budto by problemy "tonkoi podstroiki" Λ bylo nedostatochno - problema sovpadeniya. Davaite oboznachim Ω_Λ = ρ_Λ/ρ_C kak dolyu kriticheskoi plotnosti ρ_C.

Segodnyashnee znachenie Ω_Λ~0.7, no eto masshtabiruetsya, poskol'ku ρ_Λ postoyanno i my predpolagaem Ω_obshee=1. Pri etom ρ_C^-1 ~ (1+Z)^-3, tak chto pri krasnom smeshenii Z>10    Ω_Λ<0.001, v to vremya kak pri budushem krasnom smeshenii Z<-0.9 poluchim Ω_Λ>0.999.

Esli postroit' grafik Ω_Λ otnositel'no log R po kosmicheskoi istorii ot -60 do +60, t.e. -60 < log R< +60, on okazhetsya podobnym stupenchatoi funkcii, menyayusheisya ot 0 do 1 (rezko) v raione tekushei epohi. Eshe bolee vpechatlyaet grafik dΩ_Λ/dR, kotoryi approksimiruetsya Dirakovskoi del'ta-funkciei, i problema sovpadeniya zvuchit tak: pochemu my zhivem tochno v seredine pika del'ta-funkcii?

Esli TE poyavilas' ran'she, ona by vmeshivalas' v formirovanie struktur, esli pozzhe, my by eshe i ne podozrevali o nei.

 

6. Vozmozhnost' kvintessencii

Mozhno provesti odnu parametrizaciyu TE, ispol'zuya dinamicheskoe skalyarnoe pole, seichas nazyvaemoe "kvintessenciei".

6.1. Masshtabiruyushie potencialy

Primery takovy:

V ~ e-λΦ,

(5)

kak v [1,2],

V ~((Φ - A)2 + C) e-λΦ,

(6)

kak v [3].

6.2. Sledyashie potencialy

Primery takovy:

V ~ Φ-α,

(7)

kak v [4],

V ~ exp(M/Q - 1),

(8)

kak v [5].

6.3. Podhody k probleme sovpadeniya

Mozhno predpolozhit', chto nasha Vselennaya perezhivaet epohi uskoreniya s potencialom

V ~ M4 e-ΛΦ (1+A sin αΦ).

(9)

Drugaya vozmozhnost' - priznat' vazhnost' togo, chto nasha epoha blizka ko vremeni ravnovesiya materii i izlucheniya. Eto mozhno voplotit' v neminimal'noi svyazi s materiei [7], gravitaciei [8] ili v teorii k-essencii s netrivial'nym kineticheskim chlenom v lagranzhiane [9].

 

7. Temnaya energiya s uravneniem sostoyaniya w = p/ρ < - 1

Segodnyashnie dannye o C1A, FI i KS soglasuyutsya so znacheniem w = -1 (pri etom w yavlyaetsya kosmologicheskoi konstantoi).

Odnako, po toi prichine, chto vozmozhnost' w<-1 vse eshe dopuskaetsya [10], ya udelyu etomu nesorazmernoe kolichestvo vremeni, poskol'ku, esli dannyi fakt podtverditsya, on budet oznachat' rozhdenie novoi fiziki.

Odna iz interpretacii temnoi energii prihodit iz strunnoi teorii: zamknutye struny na toroidal'noi kosmologii [11]. Obobshenno, eto vedet k w<-1 [12].

V celom bez TE (kak eto bylo v bol'shinstve kosmologicheskih tekstov do 1998), sud'ba Vselennoi byla svyazana s geometriei prostym obrazom: Vselennaya budet rasshiryat'sya vsegda, esli ona otkryta ili ploskaya. Vselennaya prekratit rasshiryat'sya i budet szhimat'sya do Bol'shogo Hrusta (to a Big Crunch), esli ona zamknuta.

S TE eta svyaz' mezhdu geometriei i sud'boi Vselennoi uteryana, i budushii udel Vselennoi zavisit polnost'yu ot togo, kak budet razvivat'sya dominiruyushaya v nastoyashem temnaya energiya.

Etot vopros izuchalsya v [13,14,15]. Esli w<-1 i w ne zavisit ot vremeni, masshtabnyi faktor rashoditsya do konechnogo vremeni v budushem - Bol'shogo Razryva (Big Rip). Voobshe govorya, etot moment otnesen v budushee, po krainei mere, nastol'ko zhe daleko, kak Bol'shoi Vzryv - v proshloe.

Mozhet li imet' takaya kosmologiya filosofskuyu privlekatel'nost'? Zdes' est' simmetriya mezhdu proshlym i budushim.

Esli my dopuskaem vremennuyu zavisimost' w(t), est' dva vozmozhnyh ishoda:

1. beskonechno zhivushaya Vselennaya, gde TE dominiruet vo vse budushie vremena;
2. ischeznovenie TE, kogda vo Vselennoi snova nachinaet dominirovat' materiya.

Sluchai w<-1 privodit k nekotorym kraine interesnym dlya teoreticheskoi fiziki zagadkam.

Est' vopros narusheniya slabogo energeticheskogo usloviya (?) vsyudu prinyatogo v OTO. Eto oznachaet, chto sushestvuyut inercial'nye sistemy, v kotoryh energeticheskaya plotnost' otricatel'na, chto ukazyvaet na nestabil'nost' vakuuma.

Davaite sdelaem tri predpolozheniya, kazhdoe iz kotoryh mozhet byt' nekorrektnym: nastol'ko, chtoby my mogli skazat' chto-nibud' eshe. Vot oni:

1. sushestvuet stabil'nyi vakuum s Λ=0;
2. temnaya energiya raspadaetsya v nego posredstvom fazovogo perehoda 1 poryadka;
3. sushestvuet nekotoroe, hotya i slaboe, vzaimodeistvie mezhdu temnoi energiei i elektromagnitnym polem.

Togda mozhno ispol'zovat' starye argumenty [18] dlya issledovaniya nukleosinteza. Rezul'tatom yavlyaetsya to [16], chto dazhe pri tonchaishei svyazi mezhdu temnoi energiei i elektromagnitnym polem temnaya energiya dolzhna byla spontanno raspast'sya zadolgo do dostizheniya sootvetstvuyushego radiusa puzyrya - hotya by galakticheskogo razmera.

V etoi modeli iz-za togo, chto energeticheskaya plotnost' TE tak mala po sravneniyu s plotnost'yu energii, naprimer, obychnogo makroskopicheskogo magnitnogo polya poryadka 10 Tl, fazovyi perehod 1 poryadka mozhet byt' uspeshno podavlen tol'ko lish' otdeleniem TE ot vseh vidov sil, krome gravitacionnyh, ili zhe argumentom moglo byt', chto mezhdu galaktikami ili bol'shimi ob'ektami v takom sluchae dolzhny proishodit' stolknoveniya. Opredelenno, ni na kakoi zemnoi eksperiment ne mozhet okazyvat'sya vliyanie. Odno protivorechashee etomu predpolozhenie v eksperimente Dzhozefsonovskogo styka moglo by byt' ob'yasneno drugimi prichinami, sm. v [19].

Konechno, eto tol'ko igrushechnaya model', no obshee zaklyuchenie, veroyatno, korrektno - chto ne mozhet byt' nikakogo mikroskopicheskogo effekta temnoi energii.

Eto delaet TE ochen' trudnoi ili nevozmozhnoi dlya issledovaniya, za isklyucheniem astronomicheskih nablyudenii.

 

8. Temnaya energiya i neitrino

Mnogimi teoretikami zamecheno, chto plotnost' TE ~ (10^-3 eV)⁴ est', predpolozhitel'no, massa neitrino.

Ochen' interesnye popytki usilit' takuyu svyaz' byli sdelany v [20,21]. Takie modeli s peremennoi massoi neitrino pytayutsya ustanovit' pryamuyu identifikaciyu plotnosti TE s samoi neitrinnoi massoi [22,23].

 

9. Tochnyi eksperiment

My horosho znaem tochnye eksperimenty dlya proverki N'yutonovskogo Zakona Gravitacii vplot' do rasstoyaniya 100 mikron i nizhe.

Odin rodonachal'nik takih idei predlozhil druguyu tochnuyu proverku, rasstoyanie ot Zemli do Luny do pohozhei tochnosti v 100 mikron (veroyatno, imelos' v vidu rasstoyanie mezhdu centrami mass). Chastnaya modifikaciya gravitacii mozhet ochen' tonko vliyat' na nashu lunnuyu sistemu. Yasno, chto esli etot eksperiment udastsya proizvesti, sushestvuyushaya tochnost' povysitsya do urovnya santimetra, eto budet vpechatlyayushee dostizhenie.

 

10. Zaklyuchenie: nablyudenie i teoriya

• Teoreticheskaya obshnost' eshe tol'ko dolzhna priiti s opredelennym predlozheniem po ob'yasneniyu TE.
• Priroda TE nastol'ko gluboka dlya kosmologii i fiziki chastic, chto my otchayanno nuzhdaemsya v bol'shem kolichestve C1A-nablyudenii v vazhnyh eksperimentah, predlozhennyh, naprimer, SNAP (ch'i issledovaniya, k sozhaleniyu, priostanovil fond NASA v rezul'tate prioritizacii rabot, svyazannyh s otpravkoi cheloveka na Mars), tak zhe, kak i dopolnitel'nye nablyudatel'nyeogranicheniya na FI, k primeru, prodelannyh predstavitel'stvom Planka.
• Uravnenie sostoyaniya dolzhno byt' reshayushim. Esli w=-1, eto est' kosmologicheskaya konstanta so svoei problemoi tonkoi podstroiki i problemoi sovpadeniya. Esli w>-1, kvintessenciya poluchit vystrel iz ruzh'ya.
• Esli dannye budut sklonyat'sya k w<-1, my mozhem prisutstvovat' na rassvete revolyucii v terii, osnovannoi na obshei otnositel'nosti, na ochen' bol'shih prostranstvennyh masshtabah, vyzyvayushih voprosy.

Publikacii s klyuchevymi slovami: Kosmologiya - lyambda-chlen - temnaya energiya Publikacii so slovami: Kosmologiya - lyambda-chlen - temnaya energiya
Sm. takzhe: Razlozhenie dalekogo sveta Sluhi o temnoi Vselennoi Formirovanie galaktik v magnitnoi Vselennoi "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe Sila iz pustoty: effekt Kazimira Sverhnovaya 1994D i neozhidannaya Vselennaya Kuda smeshaetsya krasnoe smeshenie? Vse publikacii na tu zhe temu >>