Академия. Темная материя и темная энергия, 2 часть третьей недели курса "Философия и наука: введение в философию физических наук"
В этом конспекте будет рассмотрена темная энергия и альтернативные теории, объясняющие имеющиеся экспериментальные данные, не прибегая к теории темной материи и темной энергии и обоснование выбора между конкурирующими исследовательскими программами.
Темная материя и темная энергия часть II
Рассмотрим плотность энергии в, казалось бы, пустом пространстве Вселенной. В основе, принцип квантово-механической неопределенности, который говорит о невозможности полного знания о положении и скорости субатомных частиц.
Фактически ничего не может быть в полном состоянии покоя, иначе можно было бы знать точное положение наблюдаемого объекта и то что оно не двигается. Это важные моменты для размышления о составляющих казалось бы пустого пространства Вселенной.
Одним из таких составляющих является электромагнитное излучение, которое присутствует во всей Вселенной. Наблюдать его можно через силовые линии, например если поднести магнит к железной стружке, можно увидеть различные узоры, которые получаются при этом взаимодействии.
Таким же образом и пустое пространство имеет электромагнитные силовые линии, а излучение соответствует колебанию этих линий. И принцип неопределенности гласит, что они не могут иметь нулевое колебание энергии, так как это было бы состояние полного покоя, по этому есть некий элемент нулевой энергии или другими словами энергия вакуума. Если пустое пространство имеет плотность, оно так же имеет и отталкивающие гравитационные свойства.
Если что-то движется, то кинетическая энергия имеет тенденцию к уменьшению. И если представить сферу с материей в расширении, то при ее увеличении скорость расширения будет замедляться, потому что ее гравитационная энергия изменяется и это истощает кинетическую энергию. Но если есть сфера, вакуум которой расширяется, потому что имеет определенное количество массы на единицу объема, то с увеличением объема масса соответственно тоже увеличивается. Это подразумевает что гравитационные эффекты не становятся меньше при расширении, а так же увеличиваются и единственный способ сохранения кинетической энергии, это расти вместе со сферой.
В определенное время с рождения Вселенной гравитационные силы должны были бы в итоге остановить расширение, но получилось так, что энергия вакуума начала доминировать над обычной материей, что привело к ускорению расширения.
Есть и другие претенденты на замену теории темной материи, например модифицированная ньютоновская динамика (MOND). Она объясняет постоянную скорость вращения внешних частей галактик без привлечения темной материи (которая по теории создает вокруг галактик некое гало, которое своим гравитационным притяжением способствует постоянной скорости вращения внешних частей галактик) . Стандартная теория Ньютона гласит, что чем дальше объект от центра тяготения, тем меньше его скорость. Модификация предполагает, что для низких ускорений, которые действуют на внешних частях галактик, это правило не действует. И если принять данную теорию, то придется пересмотреть многие законы физики, которые приняты в настоящее время.
Данная теория возможно и хороша, но она не может объяснить других вещей. Теория с темной энергией объясняет многие вещи, которые экспериментально имеют подтверждения, и вполне неплохо уживается с имеющимися в настоящий момент законами физики.
Немаловажную роль в принятии теории также играет степень веры в нее учеными, которые берут в расчет как ранее известную информацию, так и данные новых наблюдений, на основе чего строят вероятность истинности теории. По этому модифицированная ньютоновская динамика не нашла широкого отклика, так как она была создана для конкретного случая и не стоит того, чтобы пересматривать стандартные законы гравитации, которые вырастают из большого ряда наблюдений. И именно по этому сторонникам новых теорий придется проделать колоссальный труд для их подтверждения, чтобы вызвать сдвиг парадигмы, это выглядит более чем разумно.
В конце данного блока можно задуматься над вопросом, есть ли вероятность, что в будущем все кардинально изменится и современный взгляд на природу Вселенной будет выглядеть как очередной миф? Ведь на протяжении истории, взгляды на окружающий нас мир менялись постоянно, от черепахи и слонов держащих земную твердь на своей спине, до современной космологии. Конечно сейчас у нас в распоряжении есть много высокоточных технологий, с помощью которых мы можем видеть вселенную такой, какая она есть, но что ждет нас в будущем покажет лишь время.
Перспективы для космологии
Возвращаясь к проблеме недоопределенности, можно задаться вопросом, какие доступны доказательства для согласовании теории? И здесь можно вернуться к словам Пьера Дюгема о том, что отрицательные доказательства не обязательно могут выступать против основной теоретической гипотезы, а указывать на необходимость ввести вспомогательной гипотезы.
Если аргумент недоопределенности верен, то выбор между моделью согласования и некоторыми его конкурентами должен основываться не на рациональной основании. Может возникнуть соблазн перенести в социологическое объяснение то, почему ученые собирают консенсус вокруг согласования модели и гипотезы о темной энергии и материи.
Например, можно утверждать, что легче держаться хорошо изученной и принятой сообществом теории, такой как ОТО + вспомогательные гипотезы темной материи и энергии, чем пытаться изменить основную теорию. Следуют ли ученые здравому смыслу при принятии таких решений и что считать здравым смыслом? Сторонники модифицированной ньютоновской динамики считают, что эта теория выглядит более успешной в объяснении вращении галактик и не нужно прибегать к темной материи и с их точки зрения, здравый смысл говорит в пользу этой теории.
Чтобы дать ответ на эти насущные вопросы на переднем крае современных исследований в космологии, необходимо вернуться к одному из предпосылок аргумента недоопределения, спросить, действительно ли есть настоящие конкуренты для темной энергии и темной материи.
.png)
Примером такого конкурента является так называемая LTB модель. В отличии от концепции Фридмана, которая предполагает что наша Вселенная примерна однородна и изотропна, а именно однородная структура во всех пространственных направлениях и положениях, модель LTB отрицает гомогенность, но сохраняет изотропность, предполагая, что существуют пространственные вариации распределения материи во Вселенной. И отсюда можно предположить о существовании пространства с низкой плотностью материи называемой Пузырем Хаббла. Звёзды внутри такого пузыря двигались бы в направлении от Земли с большей скоростью, чем общая скорость расширения вселенной. Данная гипотеза позволяет объяснить расширение Вселенной без привлечения темной энергии.
Критики темной энергии утверждают, что модель LTB является соперником принятой в настоящее время теории, поскольку она может учитывать к примеру колебания в космическом микроволновом фоне, а также учитывать те же доказательства, что обычно объясняется темной энергией, а именно сверхновая типа Ia. Но с оговоркой что данные от сверхновых, которые сейчас свидетельствуют о ускоренном расширении вселенной, интерпретируются без ускорения.
Более того, можно возразить, что обвинение влияет на интерпретацию данных сверхновой Ia , что подразумевает отсутствие ускорения не меньше, чем предположение о темной энергии, о известной плотности энергии нулевого вакуума для интерпретации одних и тех же данные для ускоряющегося расширения Вселенной.
Некоторые физики являются сторонниками теории струн и предполагают что существует много видов вакуума с разной энергией плотности. И в таком случае занимаем особый вакуум с мизерным положительным значением плотности энергии.
Но как бы там ни было, на сегодняшний день есть мало достойных соперников ОТО. Лучший кандидат в настоящее время, это модифицированная ньютоновская динамика, которая меняет закон Ньютона и убирает необходимость в темной материи. Ее сторонники настаивают что для галактик она обеспечивает более экономичную и более фальсифицируемую теорию, чем парадигма темной материи.
Был ли Томас Кун прав полагая, что ни простота, ни какие либо другие критерии , никогда не будут достаточны , для объяснения того, как ученые идут к принятию решений о том, какие теории поддерживать?
Заключение
В этой неделе были рассмотрены темная энергия и темная материя, которые были введены для объяснения двух аномальных явлений:
- Расширение Вселенной
- Галактическое вращение
Так же были рассмотрены конкурирующие объяснения этих явлений, как пример недоопределенности доказательств теории. Аномалии могут быть признаком того, что необходимо ввести новые вспомогательные гипотезы или же изменить основные теоретические предположения.
Было рассмотрено почему выбор пал на теорию темной материи и энергии. Доказательства теории существуют еще с 1990 года, но встречал здоровой скептицизм и нежелание признать, что вакуум может иметь ненулевую плотность. Но после данных, о ускоряющемся расширении Вселенной, полученных в 1998 году от сверхновой сменили скептицизм на согласие.
В этой части лекции разбиралась темная энергия, что само по себе очень интересно. Но и были затронуты не менее познавательные альтернативные теории, взамен темной материи и энергии, ведь всегда интересно посмотреть на иную точку зрения.
Конспект составлен в рамках проекта Академия.
Условия участия и список курсов для изучения можно найти в соответствующем посте
Курс, по которому составлен текст можно найти здесь
P.S: Изображения кликабильны и ведут на источник.