Темная энергия и темная материя

Министерство образования  Республики Беларусь

Учреждение образования  Федерации профсоюзов Беларуси

Международный университет  «МИТСО»

 

 

Кафедра истории права  и гуманитарных дисциплин

 

СУРС №1  

На тему: «Темная энергия  и темная материя»

 

            

 

 

 

                                                                              Выполнил:

                                                                              Студент гр. 1234

                                                                              Юридического факультета

                                                                              Немшон В.В.

 

 

 

 

 

 

Минск, 2012

Содержание

Введение
1. Темная материя и  темная энергия — это одно  и то же?
2. Понятия темной материи  и темной энергии
3. Природа темной материи  и темной энергии
4. Выводы
Заключение
Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Естествознание сейчас находится  в начале нового, необычайно интересного  этапа своего развития. Он знаменателен прежде всего тем, что наука о микромире — физика элементарных частиц и наука о Вселенной — космология, становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Различными методами они отвечают на одни и те же вопросы:

- какой материей наполнена  Вселенная сегодня? 

- какова была её эволюция  в прошлом? 

- какие процессы, происходившие  между элементарными частицами  в ранней Вселенной, привели  в конечном итоге к её современному  состоянию? 

Если сравнительно недавно  обсуждение такого рода вопросов останавливалось на уровне гипотез, то сегодня имеются многочисленные экспериментальные и наблюдательные данные, позволяющие получать ответы на эти вопросы. Это еще одна особенность нынешнего этапа: космология за последние 10–15 лет стала точной наукой. Уже сегодня данные наблюдательной космологии имеют высокую точность; еще больше информации о современной и ранней Вселенной будет получено в ближайшие годы.

1. Темная материя и темная  энергия — это одно и то  же?

 

Есть научные проблемы, о которых  обычный человек не знает и  вряд ли когда-нибудь узнает. А есть теории, гипотезы и открытия, о которых  наслышаны если и не все, то очень  многие, — эти достижения на слуху, о них много говорят и пишут. Естественно, что даже в таких  «популярных» теориях многое простому человеку остается непонятным, отчего иногда возникают недоразумения.

Одной из таких научных проблем  является открытие темной энергии и  темной материи, составляющих 96 % массы  всей Вселенной. Об этом слышали все, и кто-то даже пытался разобраться  в их сути, однако большинство людей  уверено, что темная энергия и  темная материя — это разные названия одного понятия. В какой-то степени  это так, но более глубокое изучение вопроса показывает, что это совершенно разные вещи, которые имеют друг с другом мало общего.

В настоящее время достоверно установлено, что мы можем наблюдать не более 4 % всей материи, существующей во Вселенной. Остальные 96 % материи и энергии  от нас скрыты — мы не обладаем инструментами  и средствами, с помощью которых  можно было бы обнаружить и измерить их параметры. Именно поэтому и было введено понятие скрытой массы, или темной материи.

Если эта материя принципиально  не наблюдается с помощью имеющихся  у человека средств, то как о ней узнали? Оказывается, единственное взаимодействие, на которое способна темная материя, — гравитационное, то есть ее присутствие может влиять на происходящие в звездных скоплениях и галактиках процессы. Именно это обстоятельство — несоответствие наблюдений и расчетов — и позволило ученым сделать предположение о присутствии чего-то невидимого, но взаимодействующего с «нормальной» материей посредством гравитации.

История открытия темной энергии и  материи началась почти век назад. В начале XX столетия случилось несколько  знаменательных событий. В 1917 году Альберт  Эйнштейн опубликовал космологическую  работу, описывающую нашу Вселенную  как единое целое. Ученый посчитал, что наш мир должен быть вечным и неизменным, однако по всем расчетам выходило, что это невозможно, —  Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Тогда Эйнштейн ввел так называемую космологическую постоянную (или лямбда-член), благодаря которой мир снова становился стационарным.

Однако в 1922 году вышел труд нашего соотечественника Александра Фридмана, в котором космологической постоянной не было места. А окончательно идею о лямбда-члене в 1929 году опровергло открытое Эдвином Хабблом явление «разбегания» галактик. Эйнштейн понял, что ошибся, и отказался от использования космологической постоянной. Однако только в 1998 году ученые поняли, что Эйнштейн был прав, а введенная им постоянная описывает не что иное, как темную энергию.

Сейчас известно, что наша Вселенная  расширяется, и расширяется с  ускорением. Главной причиной расширения является темная энергия, обладающая антигравитационными  свойствами, — она просто-напросто расталкивает все вещество во Вселенной, заставляя отдельные его точки все время отдаляться друг от друга. А то, что мы видим глазами — звезды, галактики, межзвездный газ и пыль, — играет куда меньшую роль в нашем мире, чем невидимая темная энергия.

Так что же такое темная энергия  и материя и чем они отличаются друг от друга? Темная материя (скрытая  масса) — это невидимая нами материя, состоящая, скорее всего, из особых элементарных частиц, реальность которых пока не доказана. Также к темной материи  причисляют такие космические объекты, как коричневые карлики (объекты, занимающие среднее положение между крупными планетами и небольшими звездами), планетоподобные объекты, не излучающие межзвездного газа ни в одном из диапазонов, и другие.

Темная энергия также считается  частью скрытой массы, однако по своим  физическим свойствам она не похожа на темную материю, состоящую из частиц. В настоящее время наиболее распространена точка зрения о том, что темная энергия — это энергия физического вакуума.

Физический вакуум заполняет весь наш мир, он есть в каждой точке  Вселенной, что делает его главным  «кандидатом» на роль носителя темной энергии. Однако уравнивание темной энергии и физического вакуума  создает и некоторые проблемы. В частности, физический вакуум не вписывается  в некоторые космологические  теории, а наблюдения не сходятся с  теорией. Поэтому сейчас выдвинуты  вполне состоятельные гипотезы о  существовании особых носителей  темной энергии.

 

2. Понятия темной  материи и темной энергии

 

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в  сгустки (размером, скажем, с галактику  или скопление галактик) и участвует  в гравитационных взаимодействиях  так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.

Помимо космологических  данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного  поля в скоплениях галактик и в  галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование.

Гравитационное поле скопления  искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают.

Темная материя имеется  и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного  поля, теперь уже в галактиках и  их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей  вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. В  нашей Галактике в окрестности  Солнца, масса темной материи примерно равна массе обычного вещества.

Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную. Для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

К сожалению, сейчас не видно путей  прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем  не может появиться новых блестящих  идей в этом направлении, но сегодня  надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины  ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная  на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

 

 

3. Природа темной  материи и темной энергии

 

Некоторые ученые думают, что темная материя состоит из массивных  объектов, например черных дыр с  массой, не превышающей солнечную. Такие черные дыры трудно обнаружить, даже если их относительно много. Другие ученые предполагают, что скрытая масса - это частицы неизвестного типа, практически не взаимодействующие с обычными протонами, электронами, фотонами и так далее.

До сих пор не ясно, что же именно находится в межзвездном  пространстве, хотя масса этого “чего-то”  примерно в десять раз больше суммарной  массы всех звезд. И решение этой загадки, несомненно, будет крупнейшим открытием. Единственное, что выдает сегодня скрытyю массу- гравитация. Именно гравитационное поле, влияя на движение звезд в галактиках, позволяет определить долю невидимой материи среди космического вещества.

Предполагаемых носителей скрытой  массы не так уж и мало. Ими  могут быть и элементарные частицы (WIMPs - Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы).

WIMPs - это гипотетические частицы, которые практически не взаимодействуют с привычной нам материей.     

 Черные дыры - вполне достойные  претенденты на роль WIMPs. Их существование предсказывается теорией. Они не должны быть очень массивными, иначе излучение от падающего на них вещества выдаст их с головой. Во-вторых, их должно быть много, чтобы суммарная масса была примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей. Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности, они не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs. Если эти частицы существуют, то они заполняют всю нашу Галактику и непрерывно пронизывают Землю.

WIMPs не взаимодействуют с обычной материей и, следовательно, не задерживаются атмосферой. Каждую секунду нас, возможно, пронизывает примерно 10¹⁴ этих частиц, к счастью, не влияющих на молекулы нашего тела, поэтому мы их просто не замечаем, и они пролетают сквозь нас, не оставляя никакого следа. Надежда обнаружить WIMPs основана на том, что, возможно, они все-таки взаимодействуют с обычными частицами. Пусть вероятность столкновения крайне мала, но если собрать много обычных частиц вместе, то, возможно, с кем-нибудь эта неуловимая WIMPs да “провзаимодействует”. Конечно, подавляющее большинство этих частиц пролетит незамеченным не только сквозь материал, но и сквозь Землю

Под холодной скрытой массой понимаются такие WIMPs, которые движутся с нерелятивистскими скоростями (то есть много меньшими, чем скорость света)..

Поскольку WIMPs имеют большую массу, они еще на ранних стадиях развития Вселенной становятся нерелятивистскими и начинают образовывать отдельные облака. Гравитационное поле сжимает скрытую массу и, что более важно, притягивает барионы - протоны и нейтроны - обычное вещество, из которого состоит видимый нами мир. Поэтому галактики формируются довольно рано, что соответствует наблюдениям. Действительно, всего через миллиард лет после Большого взрыва галактики уже существовали. Это было бы трудно объяснить, имея в своем распоряжении только барионы.