Может ли рождение частиц ускорять расширение Вселенной?

[Cantata]

Здравствуйте!

Некоторое время пытаюсь своими силами разобраться в вопросе, но он слишком сложен для меня.

Если вас не затруднит, оцените, пожалуйста, насколько жизнеспособна следующая гипотетическая цепочка (Дипсик помог сформулировать):

1. В расширяющейся Вселенной квантовые флуктуации могут рождать реальные частицы за счёт энергии гравитационного поля (эффект Паркера). Энергия черпается из кинетической энергии расширения и закон сохранения энергии не нарушается.
2. Допустим, что это рождение частиц само создаёт эффективное отрицательное давление (например, через модификацию уравнения состояния или за счёт вклада в тензор энергии-импульса).
3. Тогда возникает положительная обратная связь: расширение стимулирует рождение частиц, а рождение частиц, в свою очередь, создаёт отрицательное давление, которое ускоряет расширение.
Вопрос: может ли такой механизм, при определённых параметрах, объяснить наблюдаемое ускорение Вселенной без привлечения тёмной энергии?

[Ende]

Тема перемещена из форума «Свободный полёт» в форум «Астрономия»
Причина переноса: не указана.

[Anton_Peplov]

Под эффектом Паркера подразумевалось, видимо, это. У Паркера, если я правильно понял, речь идет о рождении реальных частиц в искривленном пространстве-времени, в то время как пространство-время современной Вселенной глобально плоское с большой точностью. Впрочем, диссертация Паркера прозрачно называется The Creation of Particles in an Expanding Universe, так что я, скорее всего, не въехал, о чем речь.

Не оценивая корректность Вашей с ИИ цепочки рассуждений, отмечу, что есть более экономное и популярное у специалистов объяснение. Никакого рождения реальных частиц не требуется, достаточно квантовых флуктуаций в вакууме.

В. Решетников в книге Почему небо темное? Как устроена Вселенная писал(а):

Что может представлять собой эта темная энергия? Возможны разные варианты, но, по-видимому, самый простой и естественный — темная энергия представляет собой энергию вакуума. Вакуум, вопреки бытовой точке зрения, это не просто пустота, а состояние с минимальной возможной энергией, причем эта энергия не обязательно должна быть равна нулю. Если из какого-то объема убрать все частицы и поля, то, согласно законам квантовой механики, на сверхмалых расстояниях этот объем является ареной очень активной деятельности — в нем непрерывно рождаются и исчезают так называемые виртуальные частицы. Энергия этого кипящего «супа» частиц и является энергией вакуума. <...> Свойства вакуума близки к требуемым для темной энергии — его плотность не зависит от времени (она определяется физикой очень малых расстояний и времен), он не скучивается и, согласно квантовой физике, его давление отрицательно, что и приводит к появлению эффекта антигравитации. Эти особенности вакуума привели к тому, что он часто рассматривается в качестве основного кандидата в темную энергию.

Б. Штерн в книге Прорыв за край мира писал(а):

Что из себя может представлять темная энергия, составляющая около 70% содержимого Вселенной? Первый возможный ответ: это вакуум с ненулевой плотностью энергии. Почему она могла оказаться ненулевой? Во-первых, потому, что, как уже обсуждалось выше, вообще непонятно, почему энергия вакуума близка к нулю — она может быть любой из-за огромных нулевых колебаний полей, дающих вклад разного знака. Во-вторых, пространство может быть заполнено неким скалярным полем, находящимся в стационарном состоянии — в минимуме потенциала, который, тем не менее, отличен от нуля. Эти два варианта различаются лишь терминологически. В обоих случаях имеем уравнение состояния $р = - \varepsilon$ и определенный прогноз: Вселенная всегда будет расширяться экспоненциально, если только вдруг вакуум не окажется метастабильным и не «перепрыгнет» в более низкое состояние. Тогда случится катастрофа. В обоих случаях, перефразируя выражение Андрея Линде, мы имеем дело с «легким ничто» плотностью $10^{-29} \, \text{г/см}^3$.

Объяснение темной энергии как ненулевой плотности энергии вакуума - вероятно, самое популярное, поскольку не требует введения новых сущностей. Ясно, что у вакуума должна быть энергия, неясно только, какова ее плотность: отличается ли она от нуля, и если да, то насколько. Пока не удалось корректно ее рассчитать и сравнить с наблюдаемой плотностью темной энергии.

[Cantata]

Anton_Peplov
Благодарю за ответ!
Постараюсь в ближайшее время прочитать рекомендованные книги.
Очень много новой информации и нужно время, чтобы хоть немного разобраться.

Наверное, расскажу о своей метафоре из которой возникла идея, может кто-нибудь улыбнется :)

Представила горячий источник воды в очень холодной среде. Вода непрерывно поступает, и пятно (довольно плоское) расширяется.
На границе из-за перепада температур возникают завихрения (как некое подобие структур).
Потом подумала, что для Вселенной, наверное, нужен не один такой источник, а много — по всему пространству, без выделенного центра.
Понимаю, что это всего лишь бытовая метафора, и переносить её на космологию напрямую — большая натяжка.

[sergey zhukov]

Cantata
Как это, интересно, можно разобраться в вопросе, в котором еще никто не разобрался? Так могут только диванные эксперты. Нам бы разобраться с тем, что уже лет 100 в учебниках излагается хотя бы.

Например, согласно ОТО эффект ускоренного расширения Вселенной может быть объяснен материей с отрицательным давлением. Не кажется ли это странным? Скажем, шарик раздувается положительным давлением, а не отрицательным. Отрицательное давление - это вообще-то растянутая пружина. Как оно вообще может приводить к расширению чего-либо? Да еще ускоренному?

Это к тому, что вопрос далеко не такой очевидный, как может быть, сначала кажется. На кухне не решить.

[Geen]

Cantata в сообщении #1724054 писал(а):

Энергия черпается из кинетической энергии расширения и закон сохранения энергии не нарушается.

Расширение чего?...
И как это оно "черпается", если в результате "её" становится больше?

[Anton_Peplov]

sergey zhukov в сообщении #1724071 писал(а):

Например, согласно ОТО эффект ускоренного расширения Вселенной может быть объяснен материей с отрицательным давлением. Не кажется ли это странным?

Тут еще тонкий момент, что давление, одинаковое во всех точках Вселенной, ничего никуда не расширяет и не сжимает. Расширяет связанная с ним отрицательная гравитация. Да, согласно ОТО, давление гравитирует, и отрицательное давление создает отрицательную (отталкивающую) гравитацию.

Все это очень далеко от бытовых аналогий. Если бы космологию можно было понять через бытовые аналогии, космологи давно сделали бы это сами.

[Cantata]

Благодарю за интересные вопросы и участие в теме!

Изначально свою тему разместила в другом разделе - Свободный полёт, где не такие строгие правила.
А в этом разделе я теряюсь, ведь совсем не смогу на должном уровне ответить. Да и в том разделе тоже.
Предыдущий раздел был выбран как раз по той причине, чтобы показать, что сама не уверена в своей идее.

В данной модели связь между явлениями задаётся через эмпирические соотношения типа \Gamma = \alpha \rho
К сожалению математической проработки у меня нет - не выкладывать же расчеты чат-ботов, которые я сама не могу проверить.

sergey zhukov в сообщении #1724071 писал(а):

Отрицательное давление

Как вы точно заметили! Орицательное давление, если не ошибаюсь, связано с темной энергией, которую я в своей идее пытаюсь оспорить.

Уравнения Эйнштейна допускают модификации, куда можно добавить члены, описывающие рождение материи. На что я очень понадеялась в своей идее.

Geen в сообщении #1724073 писал(а):

Расширение чего?...
И как это оно "черпается", если в результате "её" становится больше?

Расширяется само пространство - расстояния между далёкими галактиками увеличиваются.

Более подробно отвечать не берусь - не хватает компетенции.

[SergeyGubanov]

Anton_Peplov в сообщении #1724062 писал(а):

диссертация Паркера

В своей диссертации Паркер пишет:

Leonard E. Parker, https://arxiv.org/pdf/2507.05372 писал(а):

The largest of these upper bounds corresponds to the average creation of less than one proton per litre of volume every $10^{30}$ years. It is clear that these creation rates are unlikely ever to become directly experimentally detectable.

Как в анекдоте про крокодила который летает, но низенько-низенько.

Мне там понравился раздел "3. The Need for the Matrix $\alpha$". Далеко не до каждого физика-теоретика вообще когда-либо доходит (до меня дошло ), что Дираковское сопряжение спинорного поля нельзя делать с помощью $\gamma_{0}$ так как это делают во всех современных учебниках по квантовой теории поля $\bar{\psi}(x) = \psi^{\dagger}(x) \, \gamma_{0}$. Дираковское сопряжение надо делать не с помощью 0-ой компоненты матрично-векторного поля $\gamma_{\mu}(x)$, а с помощью некоторого специального матрично-скалярного поля $\alpha(x)$: $\bar{\psi}(x) = \psi^{\dagger}(x) \, \alpha(x)$, которое в некоторой системе координат в некоторой системе отсчёта может численно совпасть с $0$-ой компонентой матрично-векторного поля $\gamma_{\mu}(x)$. Я пытался нагуглить кто первый до этого додумался. Гугловый режим ИИ поиска говорит, что первым кто до этого додумался был не Леонард Паркер, а Валентин Баргманн в 1932, но только ссылок нет.

[Geen]

SergeyGubanov в сообщении #1724230 писал(а):

Дираковское сопряжение спинорного поля нельзя делать с помощью $\gamma_{0}$ так как это делают во всех современных учебниках по квантовой теории поля

Ага, а сворачивать эти гаммы с нормальными векторами можно?

[Degen1103]

У Бонди, Голда и Хойла спонтанное рождение частиц в "creating field" обеспечивало, если не ошибаюсь, постоянную плотность вечной бесконечной расширяющейся Вселенной. Вероятно, можно измыслить и выверт с ускорением, но смысл?...

[Cantata]

Degen1103 в сообщении #1724241 писал(а):

У Бонди, Голда и Хойла спонтанное рождение частиц в "creating field" обеспечивало, если не ошибаюсь, постоянную плотность вечной бесконечной расширяющейся Вселенной. Вероятно, можно измыслить и выверт с ускорением, но смысл?...

Если не ошибаюсь, с подсказкой Дипсика: в стационарной модели Вселенная расширяется, но плотность остаётся постоянной — расширение "разбавляет" материю, а непрерывное рождение новых частиц добавляет ровно столько, чтобы скомпенсировать рост объёма. Это требует вечной, неэволюционирующей Вселенной без начала и конца, что было опровергнуто открытием реликтового излучения и эволюции галактик. Я со своей метафорой пыталась обойтись без темной энергии, но в результате без нее никак не получается объяснить появление новых частиц. И на данный момент пришла к тому, что темная энергия не вечная и неизменная, а постепенно распадается, переходя в материю.)

[Someone]

Cantata в сообщении #1724255 писал(а):

Я со своей метафорой пыталась обойтись без темной энергии, но в результате без нее никак не получается объяснить появление новых частиц. И на данный момент пришла к тому, что темная энергия не вечная и неизменная, а постепенно распадается, переходя в материю.)

Degen1103 в сообщении #1724241 писал(а):

У Бонди, Голда и Хойла спонтанное рождение частиц в "creating field" обеспечивало, если не ошибаюсь, постоянную плотность вечной бесконечной расширяющейся Вселенной. Вероятно, можно измыслить и выверт с ускорением, но смысл?...

Если я правильно помню, у Бонди, Голда и Хойла "творящее поле" обладало всеми свойствами тёмной энергии (и дополнительно могло рождать частицы). В частности, оно имело отрицательное давление. Отрицательное давление создавало отталкивающее гравитационное поле, которое ускоряло расширение. А рождение частиц поддерживало плотность материи постоянной. При этом "творящее поле" не "истощалось": расширение при отрицательном давлении генерирует энергию, компенсируя её расход.

[SergeyGubanov]

Geen в сообщении #1724236 писал(а):

SergeyGubanov в сообщении #1724230 писал(а):

Дираковское сопряжение спинорного поля нельзя делать с помощью $\gamma_{0}$ так как это делают во всех современных учебниках по квантовой теории поля

Ага, а сворачивать эти гаммы с нормальными векторами можно?

Не понял вопрос.

Матрично-векторное поле

$$\gamma^{i}_{j \mu}(x) \left( \frac{\partial}{\partial \xi^i} \otimes d\xi^j \otimes dx^{\mu} \right)$$

имеет спинорные тензорные индексы $i$, $j$ (спинорного расслоения) и "обычный" тензорный индекс $\mu$ (касательного расслоения). По "обычному" тензорному индексу $\mu$ сворачивать с "обычными" тензорами конечно можно.

[Cantata]

Someone в сообщении #1724260 писал(а):

Если я правильно помню, у Бонди, Голда и Хойла "творящее поле" обладало всеми свойствами тёмной энергии (и дополнительно могло рождать частицы). В частности, оно имело отрицательное давление. Отрицательное давление создавало отталкивающее гравитационное поле, которое ускоряло расширение. А рождение частиц поддерживало плотность материи постоянной. При этом "творящее поле" не "истощалось": расширение при отрицательном давлении генерирует энергию, компенсируя её расход.

Спасибо. Их модель - стационарная, а моя - эволюционная, в этом всё отличие.

Кратко опишу свою идею, которую удалось развить с помощью Дипсика. Скажите, пожалуйста, возможно я случайно повторяю уже существующую известную модель?

Для краткости Дипсик дал модели название - модель взаимодействия тёмной энергии и тёмной материи с переменной силой (RDI)

$$ \xi(a) = \xi_{\text{late}} \cdot a^{\,n},\quad n \approx 3 $$

где $a = (1+z)^{-1}$ — масштабный фактор.

Степень n 3— следствие условия, что взаимодействие включается, когда плотность тёмной энергии сравнивается с плотностью материи.

Физический смысл:
В ранней Вселенной ($a \to 0$) взаимодействие выключено ($\xi \to 0$), что защищает физику реликтового излучения (CMB).
В позднюю эпоху ($a \to 1$) взаимодействие плавно включается, позволяя тёмной энергии перетекать в материю.

Ключевая особенность:
Сила взаимодействия $\xi$ не константа, а меняется со временем (степенной закон).

Статус: феноменологическая модель, проверяемая на данных BAO (DESI DR2).