CC BY
12
УДК 524.8
Москвичев С.С., Хабибова Н.З.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЁТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ВСЕЛЕННОЙ
Москвичев Станислав Сергеевич, магистрант 2-ого года обучения факультета Нефтегазохимии и полимерных материалов кафедры Химической технологии углеродных материалов;
Хабибова Наталья Замиловна, к.т.н., доцент кафедры Процессов и аппаратов химической технологии, email: adrianadeva@yandex.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, 9
Приведен расчет плотности энергии-массы Вселенной. В настоящей работе используются данные, полученные наблюдательной астрономией. Предполагается, что дальнейшее изучение квантового вакуума должно пойти только на благо человечества.
Ключевые слова: Вселенная, квантовый вакуум, плотность массы-энергии.
THEORETICAL MODEL OF CALCULATION OF ENERGY DENSITY OF THE UNIVERSE
Moskvichev S.S., Habibova N.Z.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The calculation of the density of energy-mass of the Universe. This paper uses data from observational astronomy. It is assumed that the further study of the quantum vacuum should go only for the benefit of mankind.
Keywords: Universe, quantum vacuum, mass-energy density.
Астрономия является одной из самых древних и самых современных наук. Познание Вселенной прошло путь от представления плоской Земли на трех китах до геоцентрической модели Птолемея, гелиоцентрической системы Галилея и Коперника. Открытие закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном открыло путь истинно научному изучению Мироздания.
Проблема возникновения Вселенной занимало умы людей очень давно. Согласно мифам многих народов, особенно монотеистических религий, Вселенная возникла не в далеком прошлом. Множество предсказаний возраста Вселенной и пророчества о конце света не подтверждались.
Научно-технический прогресс человечества сделал Вселенную объектом научного исследования. Появились разделы науки о Вселенной - космология, наблюдательная и теоретическая физика (астрофизика), гравитация, квантовая механика.
Основными наблюдаемыми объектами Вселенной являются галактики, в том числе и Млечный путь -Галактика, к которой относится и Солнечная система, звезды, межзвездный газ и пыль (межзвездные туманности).
Как известно, Галактики состоят из сотен миллиардов звезд различной массы, в которых происходит превращение простейших элементов (водорода и гелия) в углерод, азот, кислород, вплоть до трансурановых элементов. Эти элементы являются основой для образования планетных систем из звезд второго и третьего поколений, например, Солнца. Этот процесс происходил в прошлом и продолжается в настоящее время.
Доказано, что в современном состоянии вселенная возникла конечное время назад. Возраст Вселенной оценивают 14-15 миллиардов лет. Замечательной особенностью Вселенной является изотропность и структурность в космических масштабах. Это подтверждается данными наблюдательной
астрономии, изотропность реликтового излучения с температурой 2,7 К.
Американский астроном Хаббл (E. Hubble) в 1929 году открыл раздувание Вселенной, т.е. Вселенная эволюционирует, галактики удаляются друг от друга и тем быстрее, чем они дальше.
Гипотезу возникновения Вселенной выдвинул Гамов, аспирант Фридмана. Эта гипотеза называется Большим взрывом сингулярности, т.е. точки нулевого объема, очень высокой плотности и температуры. Сам термин «Большой взрыв» оказался очень живучим и в настоящее время то и дело встречается в астрономической литературе.
Судьба эволюционирующей, раздувающейся Вселенной интересует космологов. Ключевую роль в судьбе Вселенной (закрытая, открытая, стационарная) играет плотность энергии-массы (эквивалентны по Эйнштейну Е = ?ГС ■ Ci5 где Е - энергия, m - масса, с -скорость света).
Установлено, что плотность энергии-массы Вселенной близка к критической, грань между закрытой, т.е. переход от расширения к сжатию, и открытой, т.е. бесконечно расширяющейся.
Отклонения плотности энергии-массы вселенной от критической оценивается в 1О-60 (P.C.W. Daviesh). Высокая степень близости или даже равенство подтверждают измерения высокоточными приборами
реликтового излучения. Температура реликтового излучения оказалась равно 2,725±0,001 К. Обнаружена также анизотропность излучения порядка 10-4-10-5 К.
Вопрос плотности энергии-массы осложняется тем обстоятельством, что суммарная масса наблюдаемой материи составляет менее 1% от критической. Наблюдения вращения галактик и скоплений галактик позволяет эту разницу довести до 10-25%. Эту разницу назвали темной материей (не излучает и не поглощает, т.е. не наблюдается). Оставшиеся 75-90% присвоили название темной энергии.
В то же время, очевидно, что наблюдаемая материя возникла из поля пространство-время. Хотя такое название поля не самое удачное, хорошее имя для любого объекта имеет большое значение для усвоения, если не сущности, то популяризации. Можно предложить такие названия как квантовый вакуум, скалярное поле и т.д.
Мнение С. Хокинга ^ЛН^) о том, что полная энергия Вселенной равна нулю не убедительно. Известно, что вакуум участвует в дальнодействующих взаимодействиях - электромагнитном и гравитационном. Возникают понятия отрицательной энергии (раз есть положительная в виде галактик, звезд, планет и т.д.), массы, температуры по Кельвину. Это разумеется не доказательство, на основание для сомнения, но авторитет Хокинга слишком велик для отрицания его мнения.
Логично предположить, что до возникновения, т.е. до «Большого взрыва», энергетическое поле (квантовый вакуум, скалярное поле) существовало. Это можно было назвать «пустым» пространством или «пустой» Вселенной. По этой гипотезе можно вычислить плотность энергии-массы, исходя из факта практически близкой или даже равной критической. Учитывая, что поле равномерно в пространстве, по формуле Шварцшильда (К. 8с1шагг8сЫ1с1) имеем:
Д =
2 СМ
, где R - гравитационный радиус сферы, м, с
- скорость света, равная 3 10 м/с, M - масса, кг, G -гравитационная постоянная, равная 6,6710-11 м3/(кг с2). Энергия-масса объема одного кубометра (радиуса 11=0,62 м) равна:
Я-с2 0.62 ■ (3 ■ 103)2
= 4,18 ■ 10 кг
Мь, =
2 С,
2-6,67- Ю-11
Энергия, в свою очередь:
Е = Му ■ с2 = 4,18 ■ 1026-(3-103)2 = 3,762- 1043 Дж/Мз-
Кстати, факт постоянства скорости света в нашей Вселенной, измеренной с большой точностью, тоже является свойством поля данной Вселенной.
Сценарий возникновения и развития Вселенной с образованием материальных объектов (фотоны, барионы, звезды, галактики и т.д.) в предположении, или даже, по мнению основоположников современной космологии, таких как Эйнштейн, Фридман, Хокинг и др., приводит к мысли о сферической форме, т.е. Вселенная-пространство до возникновения наблюдаемых объектов тоже имела сферическую форму.
Другой логичной гипотезой является вращение Вселенной-пространства. Вращение свойственно всем известным объектам материи: ядрам (адроном), планетам, звездам, галактикам.
Вращение создает центростремительную силу, т.е. силу отталкивания, раздувания. Такую силу (силу отталкивания, антигравитации) в свою общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейн ввел с целью создания модели стационарной Вселенной. Однако после открытия факта раздувания он отказался от этой идеи, назвав это своей ошибкой.
Исследование энергетического поля (квантовое поле, гравитационное поле) развивалось по нескольким направлениям, таким как квантовая гравитация, квантовая хромодинамика (КХД), теория суперструн, супергравитация. Определенные успехи достигнуты в электродинамике, электрослабом взаимодействии. КХД не включает гравитацию, электросильное взаимодействие (структура ядер, адронов), упирается в энергии порядка 1015-1016 ГэВ. Включение гравитации в теорию (теорию суперобъединения) приведет к еще большим, по крайней мере, на несколько порядков, энергиям, например, до 1028 ГэВ.
Экспериментальные исследования таких высоких энергий требует создания сложных и дорогостоящих инструментов: наземных и орбитальных телескопов, синхрофазотронов, большого коллайдера. Мощным средством теоретического исследования является математика, вооруженная суперкомпьютерами. Впечатляют достижения квантовой метрологии: время до 10-11
до
10
14
В,
секунд, пиковольтметрия
пикоамперометрия до 10-15 А, длин до 10-11 м. Бурное развитие науки позволяет надеяться, если не полностью решать, то значительно приблизиться к решению законов возникновения, эволюции и судьбы Вселенной.
Возникает тревожный вопрос: любое достижение науки и техники не всегда идет на цели создания благ, часто на создание средств разрушения. Атомная энергия - это не только электростанции, но и бомбы. Термоядерная энергия пока идет только на бомбы, использование ее в мирных делах не достигнуто.
Энергия квантового вакуума-поля на много порядков превосходит известные источники энергии. Такие уровни энергии опасны не только планете, солнечной системе, но и не благоприятны для развития живых организмов, разума и интеллекта. В целом преобладает скептицизм -основа свободомыслия, критики догм науки, религии и философии.
Список литературы
1. Хокинг С. Краткая история Вселенной. - СПб.: Амфора, 2010. - 496 с.
2. Фейгин О. О. Поразительная Вселенная. - М.: Эксмо, 2011. - 288 с.
3. Кристофер де При, Алан Аксельрод: пер. с англ. М. Заболотских. Занимательная астрономия. Все тайны Вселенной. - М.: АСТ: Астрель, 2008. - 374 с.
