Разширяващата се вселена от гледна точка на термодинамиката

Ваня Милева Последна промяна на 18 април 2024 в 00:00 5508 0

Изображение на галактическия клъстер MACSJ0717.5+3745 с хиляди галактики в четири отделни подкупа. Сините контури показват изведеното разпределение на масата от ефектите на гравитационните лещи върху фонови обекти.

Кредит NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Швейцария), R. Massey (Durham University, UK), Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (LAM)

Изображение на галактическия клъстер MACSJ0717.5+3745 с хиляди галактики в четири отделни подкупа. Сините контури показват изведеното разпределение на масата от ефектите на гравитационните лещи върху фонови обекти.

Това, че Вселената се разширява, е известно от 1927 г., когато Едуин Хъбъл потвърждава идеята на Жорж Льометр за разширяващата се Вселена благодарение на червеното отместване на галактиките, а това, че Вселената се разширява с ускорени темпове, е известно от 1998 г., измерено от два независими екипа астрономи с помощта на свръхнови от тип Ia. Това ускоряване на разширяването на Вселената е започнало преди около четири милиарда години и именно тогава тъмната енергия (Λ) е станала по-силна от гравитацията на (тъмната) материя.

Така започва фазата на тъмната енергия, следваща фазата на доминиране на материята, която на свой ред следва фазата на доминиране на радиацията. Неотдавна бе направен опит тези различни фази в развитието на Вселената да бъдат описани не със стандартната космология по модела ΛCDM, а с термодинамиката - част от физиката, която изучава взаимодействията между големи съвкупности от частици на макроскопично ниво.

Тази термодинамика датира от XIX в., но Мариано де Соуза (Mariano de Souza) от Държавния университет на Сао Пауло и колегите му смятат, че тя все още е много полезна.

Това, което те са направили в частност, е да проверят дали така нареченият ефективен параметър на Грюнайзен Γeff е полезен за представяне на разширяването на Вселената. Немският физик Едуард Аугуст Грюнайзен (1877-1949 г.) го измисля през 1908 г. и той е начин за представяне на термоеластичното поведение на материала. 

Кредит: Results in Physics (2024). DOI: 10.1016/j.rinp.2024.107344

Екипът на Соуза свързва параметъра на Грюнайзен с уравнението на състоянието EOS (equation of state).

За перфектен флуид налягането p и енергийната плътност ρ са свързани чрез уравнението на състоянието (EOS):

ω = p / ρ, където ω е EOS параметърът, тъй като неговата интерпретация обикновено се ограничава до числена стойност за всяка ера на вселената.

Моделът ΛCDM гласи, че ω = -1, но неотдавна бе открито, че тази стойност може да е различна в действителност.

Един от резултатите от термодинамичния подход към разширяването на Вселената е, че както ω, така и Λ не са константи, а могат да се променят с времето (вж. илюстрацията по-горе).

Вселената - галактиките, звездите и планетите и дори атомите и пространство-времето ще се разпаднат.

"Също така в перспективата на параметъра на Грюнайзен, ние предполагаме, че преминаването от забавящ се режим на разширение [в епохите, доминирани от радиация и материя] към ускоряващ се режим на разширение [в доминирана от тъмна енергия ера] прилича на термодинамичен фазов преход. Това е така, защото Γ eff променя знака си, когато разширяването се променя от забавяне към ускоряване. Промяната на знака прилича на типичния подпис на фазовите преходи във физиката на кондензираната материя", коментира Соуза.

Тъмната енергия често се свързва с космологичната константа Λ [ламбда], въведена първоначално от Айнщайн през 1917 г. като отблъскваща сила, необходима за поддържане на Вселената в статично равновесие. По-късно Айнщайн отхвърля концепцията, според някои сведения. Тя бе възстановен, когато се установи, че разширяването на Вселената се ускорява, вместо да се забавя. Господстващият модел, известен като Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter - Ламбда-Студена тъмна матеррия), дава на космологичната константа фиксирана стойност. Тоест, предполага се, че плътността на тъмната енергия остава постоянна, докато Вселената се разширява. Въпреки това, други модели предполагат, че плътността на тъмната енергия, а оттам и Λ, варират във времето.

"Присвояването на фиксирана стойност на ламбда означава също присвояване на фиксирана стойност на омега, но разпознаването на ω като ефективен параметър на Грюнайзен ни позволява да направим извод за зависимост от времето за ω, тъй като вселената се разширява в доминираната от тъмна енергия ера. Това директно води до зависимост от времето за Λ или универсалната гравитационна константа", обяснява Соуза.

Изследването може да доведе до важни разработки, доколкото дава поглед върху нова интерпретация на разширяването на Вселената от гледна точка на термодинамиката и физиката на кондензираната материя.

Справка: Lucas Squillante et al, Exploring the expansion of the universe using the Grüneisen parameter, Results in Physics (2024). DOI: 10.1016/j.rinp.2024.107344

Източник: Study uses thermodynamics to describe expansion of the universe, José Tadeu Arantes, FAPESP

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !