Я где-то читал, что Эйнштейн или Ньютон считали, что Вселенная полностью статична, то есть она не расширяется и не сжимается, а просто остается неизменной. Был сделан вывод, что из-за силы притяжения между любой и каждой частицей во Вселенной Вселенная в конечном итоге схлопнется сама по себе. Чтобы компенсировать это, была теоретизирована сила отталкивания гравитации (пресловутая антигравитация), которая будет увеличиваться по мере увеличения расстояния между частицами. Позже эта теория была подвергнута критике, одна из причин заключалась в том, что если одна частица немного приблизится или отдалится от другой, силы отталкивания или притяжения пересилят другую, и Вселенная либо расширится, либо сожмется, что противоречит статической теории Вселенной.
Однако, поскольку мы теперь знаем, что Вселенная действительно расширяется с ускоренной скоростью, может ли это быть из-за того, что силы отталкивания гравитации превосходят силы притяжения?
Так же, как вопрос в сноске: является ли ускорение расширения линейным или возрастающим?
Упрощенная модель вселенной, используемая в подобных обсуждениях, называется метрикой FLRW . Судя по тону вашего вопроса, я предполагаю, что вы не ищете подробного математического описания, поэтому позвольте мне просто вывести уравнение, которое отвечает на ваш вопрос. Это одно из двух уравнений Фридмана :
(это упрощенная форма, которая игнорирует давление, что является хорошим приближением для всего, кроме очень ранней эволюции Вселенной).
Левая часть уравнения — это, по сути, ускорение Вселенной. Таким образом, если левая сторона меньше нуля, скорость расширения уменьшается, а если левая сторона больше нуля, скорость расширения увеличивается. Если левая часть точно равна нулю, то скорость расширения постоянна.
В правой части уравнения (1) и положительные константы, и плотность вещества, а есть космологическая постоянная .
Обратите внимание, что в правой части термин и имеют разные знаки, поэтому они противостоят друг другу. Если мы сделаем космологическую постоянную тогда мы получаем:
Таким образом, ускорение отрицательно, т. е. расширение замедляется. Это имеет смысл, потому что материя притягивает материю благодаря гравитации, поэтому, если во Вселенной есть только материя, мы ожидаем, что ее взаимное гравитационное притяжение замедлит расширение. Теперь, что произойдет, если мы вытащим всю материю, так что теперь ? Мы получаем:
На этот раз ускорение положительное, т.е. расширение ускоряется. В действительности космологическая постоянная создает гравитационное отталкивание, которое раздвигает Вселенную. Это сила отталкивания , о которой вы говорите в своем вопросе.
Первоначальная модель Эйнштейна скорректировала константы и таким образом, плотность материи и космологическая постоянная точно уравновешены, а ускорение равно нулю. С некоторыми другими корректировками это приводит к статической вселенной, которая не расширяется и не сжимается. Однако, как вы говорите, это оказывается неустойчивым равновесием, и в любом случае это довольно искусственная конструкция, и я уверен, что Эйнштейн был рад увидеть обратную сторону.
В вашем вопросе есть пара моментов, на которые еще предстоит ответить. Во-первых, вы спрашиваете:
Однако, поскольку мы теперь знаем, что Вселенная действительно расширяется с ускоренной скоростью, может ли это быть из-за того, что силы отталкивания гравитации превосходят силы притяжения?
и ответ таков: да, поскольку около 6 миллиардов лет назад срок был больше, чем срок, поэтому в течение последних 6 миллиардов лет скорость расширения увеличивалась. Ваш последний пункт немного сложнее:
Так же, как вопрос в сноске: является ли ускорение расширения линейным или возрастающим?
Выше я предположил, что отталкивающий член является космологической постоянной. Если это так, то скорость ускорения в конечном итоге станет постоянной. В этот момент Вселенная будет экспоненциально расширяться, т.е. она будет удваиваться в размере каждые лет, где является константой.
Однако возможно, что отталкивающий член более сложен, чем космологическая постоянная. Например, это может быть форма темной энергии, называемая квинтэссенцией . В этом случае она не обязательно постоянна, и ускорение скорости расширения может увеличиваться или уменьшаться. У нас нет твердых теорий о том, что такое квинтэссенция и как она себя ведет, поэтому в настоящее время невозможно что-либо комментировать.
Экспериментальные данные в настоящее время совместимы с простой космологической постоянной, хотя это сложные эксперименты, и точность недостаточно велика, чтобы исключить квинтэссенцию.
Ускоренное расширение Вселенной является следствием сил отталкивания ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ. Прозвище разума этих сил – «темная энергия».
Проблема в том, что Эйнштейн термин является очень простым дополнением к уравнениям. Его можно было бы добавить, даже если бы Эйнштейн не хотел делать Вселенную статичной. Так что велика вероятность того, что Эйнштейн не догадался.
Заметим, что до открытия ускорения термин считался совершенно неправильным. И было неожиданностью, когда оно оказалось полезным. Тем не менее это очень простое дополнение без каких-либо веских оснований.
Так термин моделирует глобальное внутреннее свойство нашей Вселенной.
Есть и другие возможности, например квинтэссенция . Разница в том, что квинтэссенция может перемещаться с места на место, вызывая отталкивание, то большее, то меньшее в разных областях пространства.