Energie întunecată

Estimarea distribuției masei-energie în univers (sondaje din 2013): energie întunecată , materie întunecată , materie cunoscută

Energia întunecată este o formă ipotetică de detectare non-directă a energiei răspândită omogen în spațiu, care ar putea justifica, printr-o presiune negativă mare, expansiunea accelerată a universului și alte dovezi experimentale.

Se estimează că trebuie să reprezinte o mare parte, aproximativ 68%, din masa energiei universului, a cărei pondere care ar scăpa de metodele actuale de detectare ar crește la aproximativ 95%, inclusiv materia întunecată .

Cele două forme principale ipotetizate ale energiei întunecate sunt constanta cosmologică și chintesența .

Constanta cosmologică ar fi o densitate de energie constantă care umple omogen spațiul și echivalentă fizic cu energia vidului . Adăugarea sa la teoria de bază a cosmologiei (a se vedea metrica Friedmann - Lemaître - Robertson - Walker ) a condus la adoptarea modelului Lambda-CDM , în conformitate cu observațiile și a considerat modelul standard actual al cosmologiei .

Chintesența ar fi un câmp dinamic a cărui densitate de energie variază în spațiu și timp.

Prevalența celor două posibilități necesită măsurători precise ale expansiunii universului pentru a înțelege modul în care rata de expansiune se schimbă în timp. Coeficientul de expansiune este parametrizat de ecuația de stare , al cărei calcul este unul dintre cele mai mari eforturi în cosmologia observației.

În timp ce energia întunecată este cea mai răspândită explicație în rândul cosmologilor pentru expansiunea accelerată a universului, unele modele de gravitație cuantică , inclusiv gravitația cuantică cu buclă , pot explica proprietățile cosmologice fără a utiliza această ipoteză.

Termenul „energie întunecată” a fost inventat de cosmologul Michael Turner.

Istorie și dovezi observaționale

Albert Einstein , care a trăit într-o eră dominată de ideea unui univers staționar, pentru a contracara efectele „noii” gravitații pe care el însuși le-a delimitat, ceea ce a dus la un univers dinamic (sau contractant sau în expansiune), mai presus de toate pentru a evita ideea unui colaps gravitațional a inserat celebra constantă cosmologică , calitativ similară cu o forță antigravitațională pe scară largă, în ecuațiile de câmp ale relativității generale . Când Edwin Hubble a descoperit în 1929 că universul se extinde, Einstein și-a retras ideea, numind-o „cea mai mare greșeală a mea”. ^[1]

Odată cu dezvoltarea teoriei cuantice a materiei între anii douăzeci și treizeci ai secolului al XX-lea , s-a evidențiat faptul că chiar și vidul are propria energie bine definită, determinată de perechile de particule și antiparticule care se formează și se anihilează continuu.

În 1967 a fost detectat efectul Sachs-Wolfe , constând într-o schimbare albastră a radiației cosmice de fond atunci când traversează câmpurile gravitaționale puternice generate de mase mari de materie; un astfel de câștig de energie ar fi un semn direct al existenței energiei întunecate.

Când accelerarea expansiunii universului a fost constatată în anii 1990 (anunțul că datele confirmă un univers accelerat a fost dat de Saul Perlmutter de la Berkeley Lab la 8 ianuarie 1998 ; lucrarea a primit Premiul Nobel pentru fizică în 2011), ipoteza energiei întunecate a fost întărită pentru a justifica existența unei forțe anti-gravitaționale prezente în tot universul, care ar explica expansiunea accelerată și care ar putea fi reprezentată de energia vidului prezisă de mecanica cuantică . Eroarea lui Einstein a fost astfel oarecum redusă: o formă nedetectabilă de energie ar pătrunde de fapt în spațiu, dar efectul său anti-gravitațional ipotetic, în loc să facă universul staționar, ar accelera expansiunea acestuia. Ca rezultat secundar al expansiunii accelerate, vârsta universului este mai mare decât se estimase anterior pe baza unei rate constante de expansiune.

În 2004, Christian Beck de la Universitatea Queen Mary din Londra și Michael Mackey de la Universitatea McGill din Montreal au dezvoltat o teorie care lega fluctuațiile de vid de energia întunecată și a ipotezat măsurarea experimentală a energiei întunecate prin joncțiunea Josephson .

Teoria nucleosintezei timpurii încearcă să explice formarea elementelor ușoare în universul timpuriu, cum ar fi heliul , deuteriul și litiul , în timp ce teoria structurii pe scară largă a Universului studiază formarea stelelor , a quazarilor , galaxiilor și grupurilor și grupuri de galaxii . Ambele teorii sugerează că densitatea energetică a tuturor materiilor imaginabile din univers, alcătuită din toți barionii și materia întunecată rece , este de aproximativ 30% din cea necesară pentru a face curbura spațiului zero. Întrucât măsurătorile radiației cosmice de fond efectuate de satelitul WMAP , lansate în 2001, indică faptul că universul este foarte aproape de o curbură zero, este posibil să se concluzioneze că o porțiune de energie nevizibilă, de fapt „întunecată”, constituie restul de 70% aproximativ.

O lucrare publicată în 2012 de Universitatea din Portsmouth și LMU din München , bazată pe suprapunerea hărților regiunilor universului cu cele ale radiației de fundal, a îmbunătățit veridicitatea în comparație cu studiile anterioare similare care confirmă efectul Sachs-Wolfe. , susținând o probabilitate a existenței unei energii întunecate de 99,9996% (aceeași valoare de 5 sigma atinsă de descoperirea bosonului Higgs ).

Natura energiei întunecate

Natura exactă a energiei întunecate este încă cercetată. Se știe că ar trebui să posede omogenitate , să aibă densitate redusă și să nu interacționeze puternic cu oricare dintre forțele fundamentale , cu excepția gravitației . Deoarece nu ar fi foarte dens (aproximativ 10 ⁻²⁹ g / cm ³ ), este puțin probabil să ne imaginăm experimente pentru a-l găsi în laborator. Cu toate acestea, energia întunecată ar putea avea un impact major asupra universului, reprezentând aproape 70% din toată energia și umplând uniform spațiul gol. Cele mai importante două modele sunt constanta cosmologică și chintesența.

Energia vidului

Același subiect în detaliu: Energia de vid și Constanta cosmologică .

Cea mai simplă și mai comună explicație a energiei întunecate în rândul fizicienilor și cosmologilor este că este „prețul de a avea spațiu”: adică un volum de spațiu are o energie intrinsecă și fundamentală, numită energie de vid , care reprezintă densitatea energiei fizice de vid. . De fapt, majoritatea teoriilor fizicii particulelor prezic fluctuații în vid care i-ar oferi exact acest tip de energie.

Energia de vid are o presiune negativă echivalentă cu densitatea sa și motivul pentru aceasta poate fi găsit în termodinamica clasică. Lucrarea produsă de o schimbare de volum $d V.$ ${\ displaystyle dV}$ $dV$ Este egal cu $-pdV$ ${\ displaystyle -pdV}$ ${\ displaystyle -pdV}$ , unde este $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ este presiunea. Dar cantitatea de energie dintr-un recipient gol crește odată cu creșterea volumului (și, prin urmare, $d V.$ ${\ displaystyle dV}$ $dV$ este pozitiv) ca energie este egală cu $\rho V$ ${\ displaystyle \ rho V}$ ${\ displaystyle \ rho V}$ , unde este $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ este densitatea energiei de vid. Prin urmare $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ este negativ și într-adevăr $p=-\rho$ ${\ displaystyle p = - \ rho}$ ${\ displaystyle p = - \ rho}$ . În concluzie, în timp ce densitatea energetică a vidului și presiunea negativă consecventă rămân constante în timpul expansiunii, în același timp densitatea energiei materiei, adică atracția gravitațională, este redusă și aceasta determină accelerarea expansiunii. Energia golului, notată prin litera greacă $\Lambda$ ${\ displaystyle \ Lambda}$ $\ Lambda$ ( Lambda , deci modelul Lambda-CDM sau modelul standard al cosmologiei), își va asuma rolul de constantă cosmologică antigravitațională pozitivă. Se estimează a fi de ordinul a 10 ⁻²⁹ g / cm ³ sau 10 ⁻¹²³ în unități Planck .

Una dintre cele mai mari probleme nerezolvate din fizică este că majoritatea teoriilor cuantice ale câmpului prezic o valoare foarte mare pentru constanta de energie cuantică a vidului, până la 123 de ordine de mărime în raport cu constanta cosmologică estimată ca energie întunecată. Acest lucru ar însemna că o mare parte din această energie ar trebui anulată de una egală și opusă. Alternativ, unele teorii supersimetrice necesită ca constanta cosmologică să fie exact zero. Astfel de date discordante constituie problema constantă cosmologică , una dintre cele mai importante probleme de măsurare din fizică: nu există o cale naturală cunoscută de a obține, chiar și aproximativ, constanta cosmologică infinitesimală observată în fizica particulelor.

În ciuda acestor probleme, energia vidului ca constantă cosmologică este în multe privințe cea mai „ economică ” soluție la problema accelerației cosmice, iar Modelul standard al cosmologiei actuale îl include ca o trăsătură esențială.

Chintesenţă

Același subiect în detaliu: Quintessence (fizică) și energie fantomă .

Alternativ, energia întunecată ar putea apărea din excitația particulelor în unele tipuri de câmpuri scalare dinamice (prezise de modelul standard și teoria șirurilor ), numite chintesență . Aceasta diferă de constanta cosmologică în principal pentru că poate varia în spațiu și timp. Pentru a nu forma structuri materiale, trebuie să fie foarte ușor, astfel încât să aibă olungime de undă Compton foarte mare.

Nu există dovezi ale existenței chintesenței, dar ipoteza nu poate fi eliminată a priori. În general, prezice o accelerare mai mică a expansiunii universului decât constanta cosmologică. Unii cred că cea mai bună dovadă indirectă a chintesenței provine din încălcarea principiului echivalenței lui Einstein și modificări ale constantelor fundamentale în spațiu și timp.

Problema coincidenței cosmice se întreabă de ce energia întunecată s-a manifestat la momentul estimat. Dacă, de exemplu, ar fi început mai devreme, nu ar fi avut timp să formeze structuri precum galaxii și, în cele din urmă, nu ar fi putut evolua o viață inteligentă: susținătorii principiului antropic văd acest lucru ca o dovadă importantă a tezei lor. Multe modele de chintesență prezintă un comportament care rezolvă problema, deoarece câmpul lor are o densitate care evoluează până când materia și radiația sunt egale, permițând chintesenței să înceapă să se comporte ca energia întunecată și să domine în cele din urmă universul, dincolo de a-și stabili scara de energie scăzută.

Unele cazuri speciale de chintesență sunt energia fantomă , unde densitatea energetică a chintesenței crește cu timpul și esența-k (chintesența cinetică), care posedă o formă nestandardă de energie cinetică . Acestea pot avea proprietăți neobișnuite: energia fantomă, de exemplu, poate provoca Big Rip .

Alte ipoteze

Unii teoreticieni cred că energia întunecată și accelerația cosmică sunt dovada eșecului relativității generale pe scări mai mari decât cele ale superclusturilor de galaxii . Unul dintre modelele alternative sunt teoriile MOND ( Modified Newtonian Dynamics ). În schimb, alți teoreticieni fac ipoteza că energia întunecată și accelerația cosmică dezvăluie un eșec al Modelului Standard al Big Bang-ului , deoarece ne-ar obliga să admitem prezența a ceva care nu a fost încă experimentat.

Alte idei despre energia întunecată derivă din teoria șirurilor , cosmologia Brane și principiul holografic , dar nu s-au dovedit încă la fel de eficiente ca și cele ale chintesenței și constantei cosmologice. În analogie cu fenomenele observabile în lichide, ar trebui să se facă ipoteza că numărul aproape infinit de coliziuni infinitesimale între un număr aproape infinit de particule poate produce un fel de presiune care mărește balonul universului nostru. Neil Turok , ca și alți teoreticieni ai lui Brane și șiruri, susține că energia întunecată și materia întunecată pot fi forța gravitației sau forțele derivate din interacțiunea unui univers paralel foarte apropiat, dar nu vizibil. ^[2] ^[3]

Potrivit fizicianului Leonard Susskind , termenul de energie întunecată este înșelător și ar fi mai corect să vorbim despre presiunea pozitivă a vidului , adică un tip de vid instabil, oscilând pe un minim relativ de potențial, plasat deasupra potențialului zero și, prin urmare, în expansiune exponențială. .. Ar fi putut proveni dintr-o fluctuație cuantică a vidului obișnuit, la presiune zero, statică, uniformă și unde nu se poate întâmpla nimic. Cu alte cuvinte, atât inflația prezentă în modelul Big Bang , cât și istoria viitoare a universului ( Big Rip ) pot fi explicate printr-o presiune pozitivă a vidului.

Potrivit lui Ahmed Fariag Ali, Saurya Das și Rajat K. Badhuri, energia întunecată este o constantă cosmologică dezvoltată din potențialul cuantic (mai degrabă decât energia vidului fără alte specificații) a unui condensat Bose-Einstein care generează fluctuații cuantice și alte efecte. Această stare a materiei ar fi prezentă în toate vârstele universului și ar forma și materia întunecată ^[4] . Un condensat Bose-Einstein se formează atunci când bosonii , în acest caz gravitonii sau axiile , sunt aduși la temperaturi apropiate de zero absolut ; în acel moment reacțiile cuantice au loc la scară macroscopică.

Critica asupra conceptului de energie întunecată

Același subiect în detaliu: Universul în accelerație § Modelul „încetinirii timpului” .

Potrivit unora, accelerația ar fi doar aparentă, chiar dacă spațiul se extinde sau rezultatul unei erori de observare și calcul. ^[5]

Alții dau interpretări diferite; fizicianul și matematicianul Roger Penrose afirmă că energia întunecată nu există și universul accelerat ar fi explicat prin presupusa cantitate superfluă de radiație gravitațională care ar traversa un eon temporal ajungând la altul, conform teoriei sale numită cosmologie ciclică conformă . În modelul Penrose, universul este alcătuit din infiniti eoni de spațiu-timp . Penrose a calculat că o anumită cantitate de radiație gravitațională trebuie păstrată peste granița dintre eoni, scăpând de procesul de radiație Hawking ; sugerează că această radiație gravitațională suplimentară poate fi suficientă pentru a explica accelerația cosmică observată, fără a recurge la câmpul de materie derivat din cantitatea uriașă ipotetică de energie întunecată. ^[6]

Implicații pentru soarta universului

Același subiect în detaliu: Destinul final al universului .

Cosmologii speculează că așa-numita eră a domeniului energiei întunecate , în care această formă de energie a început să predomine asupra gravitației, ar fi început cu aproximativ 4 miliarde de ani în urmă ^[7] și că în faza anterioară, după Big Bang și „inflația, expansiunea a decelerat datorită forței gravitaționale atractive exercitate de materia barionică și materia întunecată. Conform calculelor, se așteaptă ca densitatea materiei dintr-un univers în expansiune să se micșoreze mai repede decât energia întunecată până când va prelua. În special, atunci când volumul universului se dublează, densitatea materiei se înjumătățește, în timp ce energia întunecată ar trebui să rămână aproape neschimbată (exact neschimbată în cazul constantei cosmologice).

Dacă accelerația ar continua la nesfârșit, rezultatul final ar fi că galaxiile din afara superclusterului Fecioarei s-ar deplasa dincolo de orizontul cosmic și nu ar mai fi vizibile deoarece viteza lor relativă ar deveni mai mare decât viteza luminii (aceasta nu ar fi o încălcare a relativitatea. restricționată deoarece efectul nu a putut fi exploatat pentru a trimite semnale între galaxii). Pământul , Calea Lactee și superclusterul Fecioară ar rămâne practic netulburate, în timp ce restul universului ar retrage; în acest scenariu, superclusterul local ar suferi moarte termică , în același mod ca un univers plat și material.

Cu toate acestea, sunt asumate scenarii alternative. Unul sugerează că energia întunecată poate provoca o expansiune „divergentă”, implicând o creștere a forței sale respingătoare pentru a domina toate celelalte forțe din univers. Într-o astfel de stare, energia întunecată ar distruge toate structurile legate de gravitație , inclusiv galaxiile și sistemele solare și, în cele din urmă, ar depăși forțele electrice și nucleare prin distrugerea atomilor înșiși, terminând universul cu un Big Rip . Potrivit unei alte ipoteze, energia întunecată ar putea dispărea cu timpul sau chiar să devină atractivă, lăsând deschisă posibilitatea ca gravitația să devină predominantă și să conducă universul la o contracție finală mare numită Big Crunch . Unele modele, precum cel al universului oscilant , prezic că această contracție va fi urmată de o nouă expansiune într-o succesiune ciclică.

Măsurătorile precise ale accelerării expansiunii universului se pot dovedi decisive în determinarea soartei sale finale în cadrul teoriei Big Bang .

În science fiction

Energia întunecată este adesea menționată și chiar manipulată în celebrul Half-Life 2 : energia întunecată este parțial în afara teoriilor fizice referitoare la acest fenomen: ea poate fi de fapt manipulată prin dispozitive care variază de la puști la teleportoare până la reactoare de fuziune. Prin urmare, energia întunecată este sursa principală a forței cuceritoare numită Combinați pentru a alimenta cetățile (Cetățile, zgârie-nori colosali cu kilometri înalți), armele cuiva (combinați puști de asalt care trag cu gloanțe de energie întunecată) și sistemele cuiva.

Energia întunecată este, de asemenea, fundamentală în seria Mass Effect . În universul saga, câmpurile de energie întunecată, generate prin supunerea unui element zero fictiv la un curent electric, reduc masa restului materiei din interiorul lor: energia întunecată este apoi utilizată pentru a ușura navele spațiale, permițându-le să atingă viteze mai mari decât cel al luminii , pentru a genera gravitație artificială, pentru a accelera proiectilele armelor și este folosit de anumite persoane, biotica , pentru a genera câmpuri de energie întunecată capabile să dezarmeze dușmanii.

Notă

^ Gabriele Beccaria, Carlo Rubbia: „Împreună cu Einstein la un pas de secretele Big Bang-ului” , în La Stampa , 4 noiembrie 2015. Adus 19 decembrie 2017 .
^ Michio Kaku , Lume paralele. O călătorie prin creație, dimensiunile superioare și viitorul cosmosului , Torino, Ed.Code, 2006, ISBN 88-7578-054-4
^ Paul J. Steinhardt, Neil Turok, Univers fără sfârșit. Dincolo de big bang , p. 162
^ https://arxiv.org/abs/1411.0753 Saurya Das, Rajat K. Bhaduri, Materie întunecată și energie întunecată de la Bose-Einstein
^ Există cu adevărat energia întunecată? , pe asi.it. Adus la 9 decembrie 2016 (arhivat din original la 20 decembrie 2016) .
^ Roger Penrose, Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics ( PDF ), în Proceedings of the EPAC 2006, Edinburgh, Scoția , 2006, pp. 2759-2762.
^ Salt la: ab Frieman, Joshua A.; Turner, Michael S.; Huterer, Dragan (2008). „Energia întunecată și universul accelerat”. Revizuirea anuală a astronomiei și astrofizicii. 46 (1): 385-432. arXiv: 0803.0982. Bibcode: 2008ARA & A..46..385F. doi: 10.1146 / annurev.astro.46.060407.145243

Bibliografie

Richard Panek, 4% din univers. Istoria descoperirii materiei întunecate și a energiei întunecate , 2012, Code Editions , ISBN 978-887578309-9

Elemente conexe

Big Rip
Cosmologie (astronomie)
Efectul Casimir
Gravastar sau stea cu energie întunecată
Materie întunecată
Problema cu neutrinii solari
Accelerarea universului

Alte proiecte

Wikicitată conține citate din sau despre energia întunecată
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre energia întunecată

linkuri externe

( EN ) Dark Energy , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( EN ) Articol de C. Beck și M. Mackey despre măsurarea de laborator a energiei întunecate
Energia întunecată este o constantă , știri din „Științele”
( EN ) Quintessenza , pe physicsweb.org .
( RO ) Comunicat de presă de la Berkeley Lab
ScienzaperTutti: materie întunecată și energie , pe Scienzapertutti.lnf.infn.it (arhivat din original la 18 septembrie 2015) .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 48 786 · LCCN (EN) sh2001002908 · GND (DE) 7589166-9 · BNF (FR) cb150023930 (data)

Portalul de astronomie

Portalul de fizică

[1] Gabriele Beccaria, Carlo Rubbia: „Împreună cu Einstein la un pas de secretele Big Bang-ului” , în La Stampa , 4 noiembrie 2015. Adus 19 decembrie 2017 .

[2] Michio Kaku , Lume paralele. O călătorie prin creație, dimensiunile superioare și viitorul cosmosului , Torino, Ed.Code, 2006, ISBN 88-7578-054-4

[3] Paul J. Steinhardt, Neil Turok, Univers fără sfârșit. Dincolo de big bang , p. 162

[4] ttps://arxiv.org/abs/1411.0753 Saurya Das, Rajat K. Bhaduri, Materie întunecată și energie întunecată de la Bose-Einstein

[5] Există cu adevărat energia întunecată? , pe asi.it. Adus la 9 decembrie 2016 (arhivat din original la 20 decembrie 2016) .

[epac2006-6] Roger Penrose, Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics ( PDF ), în Proceedings of the EPAC 2006, Edinburgh, Scoția , 2006, pp. 2759-2762.

[7] Salt la: ab Frieman, Joshua A.; Turner, Michael S.; Huterer, Dragan (2008). „Energia întunecată și universul accelerat”. Revizuirea anuală a astronomiei și astrofizicii. 46 (1): 385-432. arXiv: 0803.0982. Bibcode: 2008ARA & A..46..385F. doi: 10.1146 / annurev.astro.46.060407.145243

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]