|
Термодинамика поможет описать расширение Вселенной
|
|
|
|
Идея о том, что Вселенная расширяется, появилась почти столетие назад. Впервые она была выдвинута бельгийским космологом Жоржем Леметром (1894-1966) в 1927 году и подтверждена наблюдениями американского астронома Эдвина Хаббла (1889-1953) два года спустя. Хаббл заметил, что красное смещение в электромагнитном спектре света, получаемого от небесных объектов, прямо пропорционально их расстоянию от Земли, а это означает, что тела, удаленные от Земли, удаляются быстрее и Вселенная, должно быть, расширяется. В 1998 году в модель был добавлен удивительный новый ингредиент, когда наблюдения за очень далекими сверхновыми, проведенные космологическим проектом Supernova и командой High-Z Supernova Search, показали, что Вселенная ускоряется по мере расширения, а не замедляется гравитационными силами, как предполагалось ранее. Это открытие привело к появлению концепции темной энергии, на долю которой, как полагают, приходится более 68% всей энергии в наблюдаемой в настоящее время Вселенной, в то время как на темную материю и обычную материю приходится около 27% и 5% соответственно.
|
|
|
|
"Измерения красного смещения показывают, что ускоряющееся расширение является адиабатическим (без теплопередачи) и анизотропным (изменяется по величине при измерении в разных направлениях)", - сказал Мариано де Соуза, профессор физического факультета Государственного университета Сан-Паулу (UNESP) в Рио-Кларо, Бразилия. "Фундаментальные понятия термодинамики позволяют нам сделать вывод, что адиабатическое расширение всегда сопровождается охлаждением из-за барокалорического эффекта [изменения температуры, вызванного давлением], который количественно определяется коэффициентом Грюнайзена". В 1908 году немецкий физик Эдуард Август Грюнайзен (1877-1949) предложил математическое выражение для эффективного параметра Грюнайзена, важной величины в геофизике, которая часто встречается в уравнениях, описывающих термоупругое поведение материала. Он сочетает в себе три физических свойства: коэффициент расширения, удельную теплоемкость и изотермическую сжимаемость. Почти столетие спустя, в 2003 году, Лицзюнь Чжу и его коллеги продемонстрировали, что определенная часть параметра Грюнайзена, называемая коэффициентом Грюнайзена, определяемая как отношение теплового расширения к удельной теплоемкости, значительно возрастает вблизи квантовой критической точки из-за накопления энтропии.
|
|
|
В 2010 году Соуза и двое его немецких коллег показали, что то же самое происходит вблизи критической точки с конечной температурой. Теперь Соуза и его коллеги-исследователи из UNESP использовали параметр Грюнайзена для описания сложных аспектов расширения Вселенной в статье, опубликованной в журнале Results in Physics, в которой представлена часть докторской работы первого автора Лукаса Сквилланте, в настоящее время работающего в докторантуре под руководством Соузы. "Динамика, связанная с расширением Вселенной, обычно моделируется как идеальная жидкость, уравнение состояния которой имеет вид омега = p/Ро, где омега [омега] - параметр уравнения состояния, p - давление, а Ро [rho] - плотность энергии. Хотя омега широко используется, его физическое значение еще не было должным образом рассмотрено. Оно рассматривалось просто как константа для каждой эпохи Вселенной. Одним из важных результатов нашего исследования является идентификация омега с эффективным параметром Грюнайзена с помощью уравнения состояния Ми-Грюнайзена", - сказал Соуза.
|
|
|
|
Уравнение состояния Ми–Грюнайзена относится к давлению, объему и температуре и часто используется для определения давления в твердом теле, подвергнутом ударному сжатию. Авторы показывают, используя параметр Грюнайзена, что непрерывное охлаждение Вселенной связано с барокалорическим эффектом, который связывает давление и температуру и возникает вследствие адиабатического расширения Вселенной. Исходя из этого, они предполагают, что параметр Грюнайзена зависит от времени в эпоху доминирования темной энергии (текущую вселенскую эпоху). Одним из интересных аспектов этого исследования является использование понятий термодинамики и физики твердого тела, таких как напряжение и деформация, для описания анизотропного расширения Вселенной. "Мы показываем, что параметр Грюнайзена естественным образом воплощен в тензоре напряжений энергии–импульса в знаменитых уравнениях поля Эйнштейна, открывая новый способ исследования анизотропных эффектов, связанных с расширением Вселенной. Это не исключает возможности большого разрыва", - сказал Соуза.
|
|
|
|
Гипотеза большого разрыва, впервые выдвинутая в 2003 году в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, утверждает, что если количество темной энергии будет достаточным для ускорения расширения Вселенной сверх критической скорости, это может разорвать "ткань" пространства-времени и разорвать Вселенную на части. "Также, с точки зрения параметра Грюнайзена, мы предполагаем, что переход от замедляющегося режима расширения [в эпоху доминирования излучения и материи] к ускоряющемуся режиму расширения [в эпоху доминирования темной энергии] напоминает термодинамический фазовый переход. Это связано с тем, что параметр Грюнайзена меняет знак, когда расширение меняется с замедления на ускорение. Изменение знака напоминает типичную характеристику фазовых переходов в физике конденсированных сред", - сказал Соуза. Темную энергию часто ассоциируют с космологической постоянной лямбда [лямбда], первоначально введенной Эйнштейном в 1917 году как сила отталкивания, необходимая для поддержания статического равновесия Вселенной.
|
|
|
|
По некоторым данным, позже Эйнштейн отверг эту концепцию. Она была восстановлена, когда было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется. Господствующая модель, известная как лямбда-CMD (Лямбда-холодная темная материя), дает космологической постоянной фиксированное значение. То есть предполагается, что плотность темной энергии остается постоянной по мере расширения Вселенной. Однако другие модели предполагают, что плотность темной энергии, а следовательно, и лямбда, меняются с течением времени. "Присвоение фиксированного значения лямбде означает также присвоение фиксированного значения омеге, но признание омега эффективным параметром Грюнайзена позволяет нам сделать вывод о зависимости омега от времени по мере расширения Вселенной в эпоху доминирования темной энергии. Это напрямую влечет за собой временную зависимость лямбда, или постоянной всемирного тяготения", - сказал Соуза. Это исследование может привести к важным достижениям, поскольку оно дает представление о новой интерпретации расширения Вселенной с точки зрения термодинамики и физики конденсированного состояния.
|
|
|
|
Источник
|
