Физическое выражение энергии определяется скалярной величиной. Она является единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие. В этом смысле фундаментальной основой материального мира является закон сохранения энергии. Его основное содержание заключается в том, что суммарная энергия замкнутой системы не изменяется во времени. Энергия никуда не исчезает, а переходит из одного состояния в другое.

Формы превращения энергии представляют собой взаимные переходы механической, электрической, электромагнитной, химической, ядерной, тепловой.

К гипотетическим формам существования энергии относится представление о тёмной энергии, энергии вакуума. В этом смысле в схеме: материя – вещество – поле энергия выступает в различных формах проявления движения материи.

Современные представления о тёмной энергии.

Тёмная энергия в космологии представляет собой пока гипотетическую форму существования, как антипод гравитации. На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь одинаковую наблюдаемую яркость. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до них. На основании измерения этих расстояний был сделан вывод, что постоянная Хаббла изменяется, а расширение вселенной оказалось ускоренным.

Позже эти наблюдения были подкреплены другими данными: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва.

Считается, что тёмная энергия равномерно заполняет всё пространство вселенной и она проявляется только в космологических масштабах. Тёмная энергия во вселенной преобладает и составляет 70% от известных форм существования энергии.

Существует несколько представлений о тёмной энергии.

Первое представление связано с введением А.Эйнштейном так называемой космологической постоянной. То есть представляет собой неизменную энергетическую плотность, равномерно заполняющую пространство.

Введение константы в стандартную космологическую модель (так называемая метрика Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера, FLRW), привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям. Наличие тёмной энергии по этой модели заключается в том, что она представляет собой энергетический вклад существования пространства. Это значит, что любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Это и есть космологическая константа в ОТО) «лямбда-член». Поскольку энергия и масса связаны соотношением E = mc², ОТО предсказывает, что тёмная энергия должна оказывать гравитационное действие. Её иногда ещё называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке 10⁻²⁹ г/см3, или около 1 кэВ/см3 (около 10⁻¹²³ в Планковских единицах). Космологическая константа имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности, и поэтому вызывает ускорение расширения вселенной. Причины, по которым космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики.

Важнейшая нерешённая проблема квантовой физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы – на многие порядки превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Это значение, следовательно, должно быть скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю, но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы.

Второе представление связано с тем, что тёмная энергия есть своего рода квинтэссенции – динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве-времени. Это представление исходит из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень легкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение вселенной началось именно в определенный момент времени. Если бы ускорение во вселенной началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как «тёмная энергия» и в конце концов господствует во вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкий энергетический уровень тёмной энергии.

Были предложены и другие возможные виды квинтэссенции: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность квинтэссенции возрастает со временем, и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому разрыву вселенной.

Представления о тёмной энергии могут претендовать на теорию в случае точного измерения скорости расширения вселенной во времени. Темпы расширения вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых захватывающих задач современной наблюдательной космологии, решение которой позволит ответить на многие вопросы фундаментальной науке не только о судьбе вселенной .

Гипотезу о существовании тёмной энергии и невидимой массы (тёмной материи) теория нуклеосинтеза Большого взрыва объясняет формированием в молодой вселенной лёгких химических элементов, таких как гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной вселенной объясняет формирование её структуры. А именно: образование звёзд, квазаров, галактик и галактических скоплений. Обе эти теории предполагают, что плотность барионной материи и тёмной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения вселенной, проведённые спутником WMAP, показывают, что её форма действительно очень близка к плоской. Точнее, представляет собой плоскость с неровной (искривленной) поверхностью Отсюда, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности вселенной.

Однако гипотеза о тёмной энергии во вселенной, представляет собой предмет ожесточённых споров. Есть точки зрения, которые объясняют парадокс ускоренного расширения вселенной без использования в своих гипотезах феномена тёмной энергии и тёмной массы.

Как утверждает С.Адлер из Института современных исследований в Пристоне (США)¹ влияние тёмной материи можно обнаружить если заняться более тщательным определением массы Луны и Земли. Если совместное определение массы Луны и Земли окажется больше суммы их масс, измеряемых в отдельности , то разница масс могла бы быть объяснена наличием гало тёмной материи между двумя планетами. Если это будет доказано, тогда можно будет объяснить причины внутреннего подогрева газовых планет-гигантов в Солнечной системе за счёт влияния той же тёмной материи. Другим способом этот парадокс внутреннего подогрева планет-гигантов объяснить пока не удаётся.

Ссылки