Номер 4, страница 198 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

4. В чем заключается смысл понятия «темная энергия»?

4. Тёмная энергия — это гипотетическая форма энергии, введённая в современную космологию для объяснения наблюдаемого факта ускоренного расширения Вселенной. Смысл этого понятия заключается в постулировании существования некой субстанции, которая обладает сильным отрицательным давлением. Согласно уравнениям общей теории относительности, такое отрицательное давление создаёт гравитационное отталкивание, или «антигравитацию».

Открытие ускоренного расширения было сделано в конце 1990-х годов на основе наблюдений за далёкими сверхновыми звёздами типа Ia. Оказалось, что они тусклее, чем должны были бы быть при замедляющемся или равномерном расширении, что указывало на их большее расстояние и, следовательно, на ускорение самого пространства. Гравитация обычной и тёмной материи всегда действует как сила притяжения и должна замедлять расширение. Чтобы объяснить, почему оно, наоборот, ускоряется, была введена тёмная энергия, чья отталкивающая сила на космологических масштабах преобладает над гравитационным притяжением всей материи во Вселенной.

По современным оценкам, на долю тёмной энергии приходится около 68% всей массы-энергии Вселенной. Приставка «тёмная» указывает на то, что она, подобно тёмной материи, не взаимодействует с электромагнитным излучением (то есть не испускает, не поглощает и не отражает свет), что делает её невидимой и недоступной для прямого наблюдения. Её присутствие обнаруживается только по её гравитационному воздействию на расширение Вселенной.

Ответ: Смысл понятия «тёмная энергия» заключается в том, что это гипотетическая форма энергии, равномерно распределённая во Вселенной и обладающая отрицательным давлением, которое создаёт силу гравитационного отталкивания, приводящую к ускоренному расширению пространства.

5. Для объяснения сущности тёмной энергии выдвигается несколько конкурирующих гипотез, наиболее известными из которых являются следующие:

1. Космологическая постоянная ($\Lambda$). Это простейшая и наиболее распространённая модель, в рамках которой тёмная энергия отождествляется с энергией физического вакуума. Предполагается, что самому пространству присуща внутренняя, неизменная плотность энергии, которая не меняется по мере расширения Вселенной. Давление $p$ и плотность энергии $\rho$ в этом случае связаны соотношением $p = - \rho$, что соответствует параметру уравнения состояния $w = -1$. Эта модель хорошо согласуется с наблюдениями, но сталкивается с «проблемой космологической постоянной»: теоретические расчёты из квантовой теории поля дают значение энергии вакуума на 120 порядков больше наблюдаемого.

2. Квинтэссенция. В отличие от постоянной энергии вакуума, эта гипотеза предполагает, что тёмная энергия является динамическим, медленно меняющимся во времени скалярным полем, которое пронизывает всё пространство. Плотность энергии такого поля может изменяться в ходе эволюции Вселенной. Для квинтэссенции параметр уравнения состояния $w$ может отличаться от -1 и быть переменным ($w > -1$). Эта гипотеза более гибкая и может помочь решить некоторые теоретические проблемы космологической постоянной, но она вводит новую, пока не обнаруженную сущность.

3. Модифицированные теории гравитации. Этот класс гипотез предполагает, что никакой новой «тёмной энергии» не существует. А наблюдаемое ускоренное расширение является следствием того, что наша теория гравитации — общая теория относительности (ОТО) — не совсем верна на космологических масштабах. Согласно этим теориям, необходимо модифицировать уравнения Эйнштейна. Например, в теориях f(R)-гравитации или в моделях с дополнительными измерениями пространства-времени гравитация на очень больших расстояниях может проявлять себя как отталкивающая сила, что и имитирует эффект тёмной энергии.

Ответ: Основными гипотезами, объясняющими тёмную энергию, являются: модель космологической постоянной (энергия вакуума), модели квинтэссенции (динамическое скалярное поле) и теории модифицированной гравитации (некорректность ОТО на больших масштабах).