Мэтт О'Дауд, ведущий популярного научно-популярного канала PBS Space Time, в новом выпуске разбирает одну из главных загадок современной астрофизики — истинную природу темной энергии. В центре внимания оказывается феномен так называемой «антигравитации» и то, как уравнения общей теории относительности объясняют ускоряющееся расширение нашей Вселенной. Автор подробно объясняет, почему закон сохранения энергии не работает в космических масштабах и каким образом отрицательное давление пустого пространства заставляет космос расширяться все быстрее.
🌌 Три главных вывода современной космологии 0:00
Опираясь на общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, современные астрофизики пришли к трем фундаментальным выводам о структуре космического пространства. Во-первых, Вселенная расширяется и будет расширяться вечно, поскольку в ней слишком мало привычной материи, способной запустить процесс гравитационного коллапса.
Во-вторых, согласно математическим моделям, такая разреженная Вселенная должна обладать отрицательной кривизной и быть гиперболической, однако реальные измерения указывают на ее идеальную геометрическую плоскость. Этот парадокс разрешается только одним способом: в космосе присутствует скрытая, неизвестная нам форма энергии, пронизывающая всё пространство.
В-третьих, наблюдения за далекими сверхновыми звездами помогли составить карту истории космического расширения и доказали, что этот процесс идет с ускорением. Силу, которая подталкивает галактики друг от друга, ученые называют темной энергией. В уравнениях Эйнштейна она описывается космологической константой, которая одновременно делает Вселенную плоской и вызывает ее экспоненциальное расширение.
🧮 Уравнения Фридмана: в поисках причины ускорения 1:36
Самая простая интерпретация темной энергии предполагает, что космологическая константа действительно неизменна во времени. Все имеющиеся астрофизические данные полностью согласуются с этим утверждением. Постоянная космологическая константа представляет собой ненулевую энергию самого вакуума: чем больше пространства образуется во Вселенной, тем больше в ней становится темной энергии.
Главная странность постоянной плотности энергии вакуума заключается в том, что она неизбежно приводит к экспоненциальному расширению. Однако первое уравнение Фридмана, описывающее скорость этого процесса, указывает лишь на сам факт экспоненциального изменения масштабов Вселенной, но не объясняет его направление. Чисто математически это могло бы быть и стремительное сжатие.
Чтобы понять физическую природу этого «расталкивания», Мэтт О'Дауд предлагает обратиться ко второму уравнению Фридмана. Если первое уравнение сфокусировано на скорости расширения, то второе описывает ускорение или замедление этого процесса. По сути, оно представляет собой аналог закона всемирного тяготения Ньютона, перенесенного на масштабы всего космоса.
Ускорение космического масштаба зависит от плотности энергии и материи, обозначаемой греческой буквой $\rho$. Чем больше материи находится во Вселенной, тем сильнее гравитация притягивает ее элементы друг к другу, замедляя расширение, что математически выражается знаком «минус» перед этим членом уравнения. Но помимо плотности, в формуле присутствует еще один важнейший параметр — давление $P$, создаваемое быстродвижущимися частицами и излучением.
🎈 Парадокс давления: почему сжатие порождает расширение 4:15
В рамках общей теории относительности и масса-энергия, и давление одинаково участвуют в искривлении пространства-времени. В привычном нам понимании, например, в газовом баллоне, высокое давление заставляет частицы двигаться быстрее и толкать стенки сосуда наружу. Однако в масштабах Вселенной этот механизм работает совершенно иначе.
Прямое выталкивающее действие давления возможно только тогда, когда существует разница давлений между двумя областями пространства. Но поскольку Вселенная на больших масштабах однородна (гомогенна), давление в любой ее точке одинаково, и никакого пространственного градиента не возникает. Влияние давления на геометрию космоса носит исключительно релятивистский характер.
Высокое давление обычной материи означает, что составляющие ее частицы движутся с околосветовыми скоростями. С точки зрения теории относительности, быстрое движение частиц приводит к увеличению эффективной массы этой области пространства по сравнению с регионом, где частицы неподвижны. В итоге положительное давление обычной материи приводит к усилению гравитационного притяжения, то есть тянет Вселенную внутрь, замедляя расширение.
Исторически именно это свойство гравитации побудило Альберта Эйнштейна ввести в свои уравнения космологическую константу. Физик стремился описать статичную Вселенную, поэтому добавил в формулу член с положительным знаком, который мог бы уравновесить гравитационное притяжение материи. Это математическое решение и стало прообразом антигравитации.
⚡ Отрицательное давление и рождение энергии из ничего 6:56
Темная энергия — это реальная физическая субстанция, и ее антигравитационный эффект должен быть следствием ее собственных физических свойств. В далеком будущем Вселенной обычная материя рассеется, и в пространстве останется только плотность и давление темной энергии. При этом плотность темной энергии строго положительна, так как она помогает обычной материи удерживать плоскую геометрию космоса.
Поскольку положительная плотность темной энергии работает как привычная гравитация и стремится замедлить расширение, единственным источником антигравитации остается давление. Физические расчеты показывают, что темная энергия создает колоссальное давление, но оно является отрицательным. Именно знак «минус» в параметре давления компенсирует отрицательный знак в уравнении Фридмана и превращает притяжение в ускоренное расталкивание.
Если положительное давление можно сравнить с расширяющимся газом, то отрицательное давление действует как натянутые эластичные ленты или внутреннее натяжение среды. Релятивистский эффект этого натяжения заставляет пространство расширяться. Дать этому процессу простое интуитивное объяснение невозможно, поскольку отрицательное давление темной энергии возникает не из хаотичного движения гипотетических частиц, а напрямую из постоянства ее плотности.
Мэтт О'Дауд предлагает следующую аналогию: если мы начнем искусственно расширять определенный объем пространства с постоянной плотностью энергии, то внутри этого объема появится больше энергии, чем было изначально, просто за счет увеличения объема. Чтобы совершить такое расширение, необходимо совершить работу. В физике это и есть определение отрицательного давления: объем обладает отрицательным давлением, если для его расширения требуется совершить работу, а при самом расширении энергия накапливается, а не теряется.
По мере расширения Вселенной создается новая темная энергия, чтобы ее плотность оставалась неизменной. Возникает закономерный вопрос: откуда берется эта энергия и кто совершает работу по расширению пространства? По мнению астрофизика, ответ может звучать парадоксально — энергия берется ниоткуда.
Классический закон сохранения энергии справедлив лишь для ньютоновской Вселенной со статичным пространством и временем. В космосе, подчиненном общей теории относительности, пространство динамично и искривлено, из-за чего энергия может безвозвратно исчезать или рождаться из ничего в процессе расширения.
🚀 Ответы на вопросы зрителей: от лазерных парусов до закона Мура 12:01
В заключительной части выпуска Мэтт О'Дауд ответил на комментарии к прошлым видео, в частности, о проекте Breakthrough Starshot — программе отправки ультралегких лазерных парусников к звездам. Зрители интересовались, как зонд сможет передать сигнал на Землю. Автор пояснил, что для этого планируется использовать маломощные лазеры или сам парус в качестве радиоантенны; принимать слабый сигнал будут гигантские детекторы на Земле.
Также ведущий отверг идею о возможности затормозить зонд с помощью излучения целевой звезды Альфа Центавра: импульс разгонного лазера с Земли на многие порядки превосходит встречный свет звезды, поэтому аппараты просто пролетят систему за несколько минут, непрерывно записывая данные. Именно поэтому планируется запускать не один зонд, а целый флот из тысяч микрочипов.
Комментируя скепсис по поводу скорого заката закона Мура, О'Дауд напомнил, что этот тренд на миниатюризацию и рост вычислительных мощностей стабильно существует примерно с 1900 года. Он начался еще с механических табуляторов, прошел через релейные калькуляторы и вакуумные лампы и лишь затем перешел на кремний. Даже если кремниевые технологии достигнут физического предела, индустрия найдет альтернативные материалы.
Наконец, ведущий ответил на критику пользователя, предложившего направить многомиллиардный бюджет проекта Starshot на исследования в области лечения рака. О'Дауд подчеркнул, что планируемые затраты на Starshot сопоставимы с годовым бюджетом лишь одного Национального института рака США и составляют ничтожную долю от мировых расходов на онкологию. По мнению автора, если бы проблему рака можно было решить простым вливанием такой суммы, её бы уже давно решили. Фундаментальные же космические проекты несут огромную нематериальную ценность: они объединяют человечество и вдохновляют умных детей становиться учеными, а не банкирами, что в долгосрочной перспективе окупает любые затраты.
