Номер 5, страница 198 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

5. Какие варианты гипотез выдвигаются для объяснения сущности темной энергии?

4. Смысл понятия «темная энергия» заключается в обозначении гипотетической формы энергии, введенной в космологию для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. В конце 1990-х годов астрономы, изучая далекие сверхновые звезды типа Ia, обнаружили, что Вселенная расширяется не с замедлением, как ожидалось под действием гравитации, а с ускорением. Чтобы объяснить этот феномен в рамках общей теории относительности, была постулирована субстанция с необычными свойствами.
Ключевое свойство темной энергии — это отрицательное давление. В то время как обычная материя и темная материя создают гравитационное притяжение, темная энергия, обладая отрицательным давлением, создает силу отталкивания («антигравитацию»), которая на больших космологических масштабах преобладает над гравитацией и заставляет пространство-время расширяться все быстрее.
Темная энергия считается равномерно распределенной во всем пространстве, и ее плотность не изменяется (или изменяется очень медленно) по мере расширения Вселенной. Согласно стандартной космологической модели, известной как модель ΛCDM (Лямбда-CDM), на долю темной энергии приходится около 68% всей плотности энергии во Вселенной, в то время как на темную материю — около 27%, а на обычную (барионную) материю, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами, — менее 5%.
Состояние темной энергии описывается параметром $w$, равным отношению ее давления $p$ к плотности энергии $ρ$: $w = p/ρ$. Для того чтобы вызывать ускоренное расширение, необходимо условие $w < -1/3$. Термин «темная» указывает на то, что эта энергия не взаимодействует с электромагнитным излучением (не испускает, не поглощает и не отражает свет) и, следовательно, не может быть непосредственно наблюдаема.

Ответ: Понятие «темная энергия» обозначает гипотетическую форму энергии, которая равномерно заполняет Вселенную и обладает отрицательным давлением, что приводит к наблюдаемому ускоренному расширению Вселенной.

5. Для объяснения сущности темной энергии выдвигается несколько основных вариантов гипотез, которые можно разделить на несколько групп.

1. Космологическая постоянная (Λ). Это наиболее простая и общепринятая гипотеза. В этой модели темная энергия — это энергия физического вакуума, постоянная во времени и пространстве. Она была введена еще Альбертом Эйнштейном в уравнения общей теории относительности для получения стационарной модели Вселенной. В современной космологии космологическая постоянная имеет постоянный параметр уравнения состояния $w = -1$. Эта модель отлично согласуется с большинством наблюдательных данных, однако сталкивается с фундаментальной теоретической проблемой: расчеты в рамках квантовой теории поля дают значение плотности энергии вакуума на много порядков (примерно на 120) больше, чем наблюдаемое в космологии. Эта проблема известна как «проблема космологической постоянной».

2. Квинтэссенция и другие скалярные поля. В отличие от космологической постоянной, эти гипотезы предполагают, что темная энергия не является постоянной, а представляет собой динамическое поле, подобное тому, которое, возможно, вызвало инфляцию на ранней стадии жизни Вселенной. Такое поле называют «квинтэссенцией». Плотность энергии и давление квинтэссенции могут изменяться со временем, что означает, что параметр $w$ также является переменной величиной (обычно в диапазоне $-1 < w < -1/3$). Существуют также более экзотические варианты, например, «фантомная энергия» с параметром $w < -1$, которая привела бы к будущему разрыву Вселенной («Большой разрыв»).

3. Модификации общей теории относительности (ОТО). Эта группа гипотез предполагает, что никакой новой сущности (темной энергии) не существует, а наблюдаемое ускорение является следствием того, что сама теория гравитации — общая теория относительности Эйнштейна — неверно описывает Вселенную на самых больших масштабах. Предлагаются различные модификации уравнений Эйнштейна (например, теории f(R)-гравитации, теории массивной гравитации, модели с дополнительными измерениями пространства), в которых гравитация на космологических расстояниях может проявлять себя как сила отталкивания, имитируя эффект темной энергии.

4. Эффекты неоднородности. Эта гипотеза ставит под сомнение одно из основных положений стандартной космологии — предположение об однородности и изотропности Вселенной в больших масштабах (космологический принцип). Вселенная на самом деле имеет сложную ячеистую структуру с областями повышенной и пониженной плотности (галактики, скопления, войды). Сторонники этой идеи полагают, что усредненное гравитационное влияние этих неоднородностей («обратное влияние», или backreaction) на общую динамику расширения может быть нетривиальным и создавать эффект, который мы интерпретируем как ускоренное расширение, без необходимости введения темной энергии. Однако большинство исследований показывают, что этот эффект слишком мал, чтобы объяснить наблюдаемые данные.

Ответ: Основные гипотезы, объясняющие сущность темной энергии, включают космологическую постоянную (энергию вакуума), динамические скалярные поля (квинтэссенцию), а также альтернативные теории, предполагающие модификацию законов гравитации на космологических масштабах или влияние неоднородностей в распределении материи.