Темна сторона Всесвіту. Скільки проживе теорія Ейнштейна – Tagesspiegel

Чорні діри, темні матерії, темна енергія – ці найбільші загадки космології нерозривно пов’язані з теорією відносності.

Протягом майже цілого століття загальна теорія відносності не дає спокою науці. Щоб її перевірити, будуються обсерваторії, відправляються супутники в космос, пише Der Tagesspiegel.

Наприклад, в наступному році за допомогою французького міні-супутника Microscope з великою часткою точності буде проведено аналіз вільного падіння двох тіл, виконаних з різних металів.

Будуть обидва металевих циліндра рухатися однаково в полі земного тяжіння?

Або ж теорію Ейнштейна потрібно переглянути?

На ці питання відповідає автор науково-публіцистичних матеріалів Томас де Падова, вивчав фізику і астрономію в Бонні і Болоньї.

Досі вона підтверджувалася при всіх проведених коли-небудь експериментах. З іншого боку, вона є “солітер” серед фізичних теорій.

На відміну від інших описів фізичних сил, загальна теорія відносності є одночасно теорією простору і часу.

Простір і час не є жорстко закріпленої сценою відбувається. Масштаби простору і часу змінюються поруч з масивними небесними тілами. Тільки гравітаційне поле визначає “метричні властивості чотиривимірного вимірювального простору”, зазначав Ейнштейн.

Оскільки гравітація впливає в однаковою мірою на різні матерії і, на відміну від електричних і магнітних сил, не може бути виключена, її можна в цілому інтерпретувати як викривлення простору і часу.

Ейнштейн порівняв це спотворене тимчасове простір з натягнутим хусткою, в якому кожне небесне тіло створює поглиблення, яке рухається разом з ним, в той час як він впадає в сферу впливу інших заглиблень.

Його абсолютно нове розуміння гравітації внесло свій внесок у розвиток сучасної космології. Найважливіші питання фізики, про яких постійно йдуть професійні дискусії, нерозривно з нею пов’язані.

Що відбувається на підступах до чорних дірок? Як виник Всесвіт? Звідки походить темна енергія, яка все швидше розганяє галактики? З чого складається темна матерія, яку хоча і не можна побачити, але яка помітна з-за її гравітаційного ефекту в космосі?

Ейнштейн нічого не знав про темної матерії, темної енергії або чорних дірах. Коли він закінчив свій епохальний працю і представив його 25 листопада 1915 року Прусської академії наук в Берліні, він навіть не знав про існування інших галактик по ту сторону Чумацького шляху, не кажучи вже про розширення Всесвіту.

Великі астрономічні відкриття ХХ століття були ще попереду. Тим дивніше те, як він відкрив для космології, виходячи з небагатьох, швидше інтуїтивних фізичних припущень, абсолютно нові перспективи.

Загальної теорії відносності виповнився рівно один рік, коли він сам виявив її недоліки. Ейнштейн намагався описати Всесвіт як ціле. Крім того, він модифікував свою теорію і додав додатковий член до рівнянь поля – “космологічну константу”. Вона повинна була визначити, що Всесвіт не розширюється і не коллабрирует.
 

Рівномірно розподілені зірки

Подання Ейнштейна про побудову космосу ґрунтувалися на простої думки – Всесвіт виглядає в будь-якому напрямку однаково. Типова для нього позиція. За даними астрономів вона збігалася лише частково.

Оскільки той, хто подивиться ясною вночі на небо, побачить в одному місці лише кілька зірок, в іншому – ціле море зірок, але насамперед Чумацький шлях. Можна подумати, ніби всі зірки сконцентровані на Чумацькому шляху, а за його межами знаходиться порожній простір.

Ейнштейн провів аналіз. На його думку, теорія тяжіння Ньютона говорила про те, що у світу є середина, де зосереджені зірки, в той час як за межами щільність зірок знижується і закінчується нескінченній пустоті. Але це додавало б порожньому простору значення, що суперечило теорії Ейнштейна.

Крім того, така розстановка не могла б продовжуватися тривалий час. Зірки покинули б острів і зникли б до нескінченності, не повертаючись назад. Одна зірка за інший гравітаційної грі небесних тіл покинула б центр, а Світовий острів поступово спорожнів.
 

У космосу немає середини

Астрономічні спостереження не давали вказівок на це. Ейнштейн вважав, що зірки можуть бути рівномірно розподілені в просторі. “Скільки не мандруй по космосу, всюди знайдеться скупчення зірок схожого виду й однакової щільності”. Іншими словами, людина не знаходиться у центрі космосу, тому що такого центру взагалі немає. Така основна ідея сучасної космології.

Щоб з’єднати його подання з моделлю світу, Ейнштейн припустив, що наявна матерія тимчасового простору так сильно спотворюється, що утворює шар. Така Всесвіт замикається на собі і є нескінченною.

У лютому 1917 року Ейнштейн представив Берлінської академії свої “Космологічні спостереження”, в яких він описав Всесвіт, в тому числі як незмінну в тимчасовому відношенні. Але до власного здивування він змушений був констатувати, що його представлені в листопаді 1915 року дослідження не допускали статичну Всесвіт. Ейнштейн зважився доопрацювати свої дослідження, над якими він працював вісім років, додавши в них космологічну константу.
 

Найбільша помилка Ейнштейна

Додаткова складова має велике значення.

“Вона показує, що Ейнштейн у 1915 році, на відміну від того, що він писав, знайшов ще не всі співвідношення, зіставні з його вимогами”, – зазначає експерт Юрген Ренн, директор Інституту Макса Планка в Берліні.

З математичної точки зору введення космологічної константи було виправдано. Але Ейнштейн поставив її на чашу ваг, щоб врівноважити космічний баланс таким чином, щоб Всесвіт не розширювалася і не стискалася. Але він упустив з виду той факт, що подібний баланс був нестабільний.

Хоча він пізніше назвав введення константи найбільшою помилкою, вона все ж знову з’являється в сучасній космології. Вона переживає ренесанс – після того, як було доведено, що Всесвіт не тільки розширюється, але це розширення відбувається ще й з прискоренням.

З початку 21 століття почали з’являтися вказівки на те, що більше двох третин щільності енергії Всесвіту проводиться загадковою силою тиску, космологічною сталою. Але якась невідома темна енергія приводить в рух розширення космосу? Деякі дослідники вважають, що за нею ховається енергія вакууму, яка відбувається з постійних квантово-фізичних процесів.
 

Через п’ять років доведено відхилення світла

Загальна теорія відносності виводить на поверхню низку питань. Разом з тим, вона допомагає вченим прийти до несподіваних висновків щодо структури космосу. Прикладом може служити колишнє передбачення Ейнштейна про те, що світло від далеких зірок викривляється навколо сонця.

Воно зробило його відомим у всьому світі в листопаді 1919 року, після того, як британські астрономи довели це відхилення світла в повному сонячному затемненні. “Весь світ в небі – викривлений”, з таким заголовком вийшов випуск New York Times, в якому йшлося про революцію в науці.

Галактики і скупчення галактик об’єднують світ ще більш ефективно, ніж сонце. Вони діють схожим чином, як лінзи телескопа. Перше вказівку на це гравітаційний лінзовий ефект є ще в записах Ейнштейна. Він у 1912 році вивчав цей оптичний феномен в геометричних начерках.

Його розрахунки переконали його в тому, що лінзовий ефект засобами того часу побачити не можна. Але в 1936 році він представив свої дослідження. До публікації його підштовхнув інженер Руді Ст. Мандль.

Зраділи цьому насамперед британські астрономи, які в 1979 році звернули увагу на дивну пару “близнюків” в сузір’ї Великої Ведмедиці. Два практично однакових джерела світла поруч один з одним.

Навколо одного і того ж об’єкта, квазара, активного ядра галактики. Незабаром після цього стало зрозуміло, з чим була пов’язана ця пара. Між квазаром і Землею перебувала галактика з малою кількістю світла, що було раніше непомітна. Вона направляла вихідні від квазара промені різними шляхами в очі земного спостерігача.

Коли світло досягає Землі різними шляхами, астрономи бачать один і той же об’єкт як подвоєний, потроєний або – в залежності від тривалості світла, в різний час. Так, група астрономів на чолі з Патріком Келлі з Каліфорнійського університету в Берклі рік тому за допомогою телескопа Hubble спочатку побачила чотири зображення рідкісного вибуху зірок в далекій галактиці.

Зображення цієї наднової зірки були відкинуті гравітаційною лінзою в сузір’я Лева на нічне небо.
 

Лінза показує вибух зірки, наче в сповільненій зйомці

Лінза дає астрономам, ймовірно, більше зображень вибуху зірки. Згідно з підрахунками, початок наднової зірки під певним кутом можна буде побачити тільки на початку 2016 року. Дослідники тоді зможуть детально вивчити її.

Подібні погляди в космічні події дуже ефектні. Не менш заворожують самі гравітаційні лінзи. Спосіб і вид відхилення світла багато говорить про сконцентрованої в лінзах матерії. Астрономи таким чином можуть довести і наявність темної матерії в космосі, яка також відповідає законам теорії гравітації Ейнштейна і відводить промені світла від курсу.

Приклад тому – кластер в сузір’ї Карина. Він виник в результаті зіткнення двох скупчень галактик. Між ними світиться стиснений газ. Незважаючи на це, обидва скупчення галактик при зіткненні практично без пошкоджень проникли один в одного. Це особливо стосується темної матерії.

У кластері, по всій видимості, більше маси в формі темної матерії, що об’єднують в собі видимі зірки і газові хмари. Станом на сьогоднішній день, темна матерія дає в п’ять разів більше енергетичної щільності, ніж усі відомі нам форми матерії.
 

Об’єднання загальної теорії відносності з квантовою фізикою тільки належить

З чого вона складається? Дослідники гадають до сьогоднішнього дня про її склад. Чи вдасться фізикам за допомогою Великого адронного коллайдера довести наявність гіпотетичних частинок темної матерії? Поки дослідники в своїх лабораторіях не знайшли доказів того, що ж являє собою темна сторона Всесвіту. Що ховається за темною енергією? Існує фізичний процес, який одного разу зможе зупинити колапс зірок в чорних дірах?

Поки такі питання залишаються без відповіді, об’єднання загальної теорії відносності з квантовою фізикою залишається справою майбутнього. Хоча пошук всесвітньої формули триває. Якщо мова йде тільки про аспекти гравітації, теорія Ейнштейна, як і раніше, надає надійні рамки для сучасної космології. Через 100 років після відкриття генія вона залишається однією з кращих підтверджених теорій. І все ще являє собою основу для багатьох несподіваних відкриттів.

Источник