квартэссенция

# тег · @ автор · ! учёный

Квинтэссенция — гипотетическая форма тёмной энергии с переменной плотностью, описываемая скалярным полем. В отличие от космологической постоянной (Λ) Эйнштейна, которая неизменна, квинтэссенция может эволюционировать во времени и пространстве. Уравнение состояния такой энергии характеризуется параметром w = p/ρ (отношение давления к плотности), который для квинтэссенции лежит в диапазоне -1 < w < -1/3. При w = -1 она неотличима от Λ, а значения, близкие к -1/3, приводят к замедлению ускорения. Наблюдения пока не подтверждают отклонения w от -1, но допускают слабую динамику.

История

Слово «квинтэссенция» восходит к античной философии — пятый элемент после земли, воды, воздуха и огня. В космологии его возродили в 1998 году, когда астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Учёные предположили, что за это отвечает не постоянная космологическая константа, а динамическое поле, названное квинтэссенцией.

Как работает

Квинтэссенция подобна пружине, которая медленно распрямляется. Пока поле «скатывается» вниз по энергетическому склону, его давление отрицательно, и оно действует как антигравитация, расталкивая галактики. Если поле застынет, ускорение прекратится; если продолжит меняться, Вселенную может ждать разрыв материи.

💡 Название «энергия пятого элемента» отсылает к древнегреческому представлению о том, что небеса состоят из особой субстанции — эфира, или квинтэссенции. Современная физика, возможно, возвращает эту идею на научную почву.

Квинтэссенция — это особая энергия, заполняющая пространство и заставляющая Вселенную расширяться всё быстрее. В отличие от обычной тёмной энергии, которая считается постоянной (как ровный гул), квинтэссенция может ослабевать или усиливаться в разных местах и в разное время. Это как если бы воздух в комнате становился то плотнее, то разреженнее, влияя на движение предметов. Идея пришла из физики элементарных частиц: существует поле (невидимая субстанция, подобная магнитному полю), которое медленно меняется и создаёт отталкивающую гравитацию.

История

Как работает

💡 Некоторые модели квинтэссенции предсказывают, что по мере расширения Вселенной поле может перестать ускоряться и даже изменить знак, вызвав коллапс. Это называют «замёрзшей квинтэссенцией».

Квинтэссенция в космологии — модель тёмной энергии, основанная на скалярном поле ϕ с каноническим кинетическим членом и потенциалом V(ϕ). Действие для такого поля в искривлённом пространстве-времени даёт тензор энергии-импульса, который при медленном изменении поля обеспечивает отрицательное давление, вызывая ускоренное расширение Вселенной. Уравнение Фридмана для масштабного фактора a(t) с квинтэссенцией модифицируется, и динамика поля определяет эволюцию тёмной энергии. Возможные потенциалы включают экспоненциальный V(ϕ) ∝ exp(-λϕ) или обратный степенной V(ϕ) ∝ ϕ^(-α). Отличие от моделей с космологической постоянной — в отсутствии проблемы «совпадений» (почему сейчас плотности материи и тёмной энергии сравнимы) за счёт механизмов отслеживания. Наблюдательные ограничения из данных по сверхновым, реликтовому излучению и барионным акустическим осцилляциям пока согласуются с w ≈ -1, но будущие миссии могут обнаружить малые отклонения.

История

После открытия ускоренного расширения Вселенной в 1998 году группами под руководством Сола Перлмуттера, Адама Рисса и Брайана Шмидта, встал вопрос о природе тёмной энергии. Хотя космологическая постоянная была простейшим объяснением, теоретики, включая Поля Стейнхардта и Роберта Кэлдуэлла, предложили модели динамического скалярного поля — квинтэссенцию. Термин закрепился в литературе как противопоставление статической Λ. Идею поддерживают попытки связать тёмную энергию с инфляционным полем в ранней Вселенной.

Как работает

Динамика квинтэссенции подчиняется уравнению Клейна — Гордона в расширяющейся Вселенной: ϕ̈ + 3Hϕ̇ + dV/dϕ = 0, где H — параметр Хаббла. Торможение за счёт расширения заставляет поле медленно катиться, сохраняя потенциальную энергию, которая доминирует и создаёт отрицательное давление. Плотность и давление поля: ρ_ϕ = ϕ̇²/2 + V(ϕ), p_ϕ = ϕ̇²/2 - V(ϕ). Когда V(ϕ) ≫ ϕ̇², получаем p_ϕ ≈ -ρ_ϕ, что ведёт к ускорению. Модели квинтэссенции должны решать проблему пятой силы, так как вариации поля могли бы проявляться в лабораторных экспериментах, поэтому обычно предполагается, что поле очень слабо взаимодействует с веществом.

w = \frac{p}{\rho}

w — параметр уравнения состояния, p — давление, ρ — плотность энергии; для квинтэссенции -1 < w < -1/3

Открытые проблемы и интересные факты

Природа скалярного поля: элементарная частица или модификация гравитации?; Измерение временной зависимости параметра w с высокой точностью; Предотвращение нежелательных взаимодействий с веществом (пятая сила); Объяснение начальных условий и совпадения с современной плотностью материи

Пока нет статей

квартэссенция

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме