Квинтэссенция (физика) - Quintessence (physics)

В физике , квинтэссенцией является гипотетическая форма темной энергии , точнее скалярное поле , постулируется как объяснение наблюдения с возрастающей скоростью расширения Вселенной. Первый пример такого сценария был предложен ратром и Пиблз (1988). Эта концепция была расширена до более общих типов изменяющейся во времени темной энергии, а термин «квинтэссенция» впервые был введен в статье Роберта Р. Колдуэлла , Рахула Дейва и Пола Стейнхардта в 1998 году . Некоторые физики предполагают, что это пятая фундаментальная сила . Квинтэссенция отличается от объяснения темной энергии космологической постоянной тем, что она динамична; то есть она изменяется со временем, в отличие от космологической постоянной, которая по определению не изменяется. Квинтэссенция может быть притягательной или отталкивающей в зависимости от соотношения ее кинетической и потенциальной энергии. Те, кто работает с этим постулатом, считают, что квинтэссенция стала отталкивающей около десяти миллиардов лет назад, примерно через 3,5 миллиарда лет после Большого взрыва .

Скалярное поле

Квинтэссенция ( Q ) - это скалярное поле с уравнением состояния, где w _q , отношение давления p _q и плотности _q , задается потенциальной энергией и кинетическим членом: ${\ displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle V (Q)}$

${\ displaystyle w_ {q} = {\ frac {p_ {q}} {\ rho _ {q}}} = {\ frac {{\ frac {1} {2}} {\ dot {Q}} ^ { 2} -V (Q)} {{\ frac {1} {2}} {\ dot {Q}} ^ {2} + V (Q)}}}$

Следовательно, квинтэссенция динамична и обычно имеет плотность и параметр w _q, которые меняются со временем. Напротив, космологическая постоянная статична с фиксированной плотностью энергии и w _q  = -1.

Поведение трекера

Многие модели квинтэссенции имеют отслеживающее поведение, которое, согласно Ratra и Peebles (1988) и Paul Steinhardt et al. (1999) частично решает проблему космологической постоянной . В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая точно отслеживает (но меньше) плотность излучения до достижения равенства материи и излучения , которое запускает квинтэссенцию, чтобы начать иметь характеристики, подобные темной энергии, в конечном итоге доминируя во Вселенной. Это , естественно , устанавливает низкий масштаб темной энергии. При сравнении прогнозируемой скорости расширения Вселенной, полученной с помощью решений слежения, с космологическими данными, главная особенность решений слежения состоит в том, что для правильного описания поведения их уравнения состояния необходимы четыре параметра , тогда как было показано, что не более двухпараметрическая модель может быть оптимально ограничена среднесрочными будущими данными (горизонт 2015–2020 гг.).

Конкретные модели

Некоторые частные случаи квинтэссенции - фантомная энергия , в которой w _q  <-1, и k-эссенция (сокращение от кинетической квинтэссенции), которая имеет нестандартную форму кинетической энергии . Если бы этот тип энергии существовал, это вызвало бы большой разрыв во Вселенной из-за растущей плотности энергии темной энергии, что привело бы к расширению Вселенной с более высокой, чем экспоненциальной скоростью.

Голографическая темная энергия

Голографические модели темной энергии по сравнению с моделями космологической постоянной подразумевают сильное вырождение . Было высказано предположение , что темная энергия может исходить от квантовых флуктуаций в пространстве - времени , и ограничены горизонтом событий Вселенной.

Исследования квинтэссенции темной энергии показали, что она доминирует над гравитационным коллапсом в моделировании пространства-времени, основанной на голографической термализации. Эти результаты показывают, что чем меньше параметр состояния квинтэссенции, тем сложнее для плазмы термализоваться.

Квинтом сценарий

В 2004 году, когда ученые сопоставили эволюцию темной энергии с космологическими данными, они обнаружили, что уравнение состояния, возможно, пересекло границу космологической постоянной ( w = –1) сверху вниз. Доказанная теорема о запрете работы указывает на то, что эта ситуация, называемая сценарием Квинтома , требует как минимум двух степеней свободы для моделей темной энергии.

Терминология

Название происходит от quinta essentia (пятый элемент). Так называемый на латыни, начиная со средневековья, этот элемент был добавлен Аристотелем к четырем другим античным классическим элементам , потому что он думал, что это суть небесного мира. Аристотель назвал этот элемент эфиром , который он считал чистым, тонким и изначальным элементом. Точно так же современная квинтэссенция была бы пятым известным «динамическим, зависящим от времени и пространственно неоднородным» вкладом в общее массово-энергетическое содержание Вселенной.

Конечно, остальные четыре компонента - это не древнегреческие классические элементы , а скорее « барионы , нейтрино , темная материя [и] излучение ». Хотя нейтрино иногда считают излучением, термин «излучение» в этом контексте используется только для обозначения безмассовых фотонов . Пространственная кривизна космоса (которая не обнаружена) исключена, потому что она нединамична и однородна; космологическая постоянная не может считаться пятым компонентом в этом смысле, потому что она нединамична, однородна и не зависит от времени.

Смотрите также

• Эфир (классический элемент)

использованная литература

дальнейшее чтение

• Ostriker JP; Стейнхардт П. (январь 2001 г.). «Квинтэссенция Вселенной». Scientific American . 284 (1): 46–53. Bibcode : 2001SciAm.284a..46O . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0101-46 . PMID  11132422 .
• Лоуренс М. Краусс (2000). Квинтэссенция: поиск недостающей массы во Вселенной . Основные книги . ISBN 978-0465037414.