Физики-теоретики исследовали расширение Вселенной с учетом неоднородностей в ней, применив формализм Мори — Цванцига к Общей теории относительности. Их анализ показал, что влияние неоднородностей на эволюцию масштабного фактора пренебрежимо мало в настоящее время, но в будущем темп расширения Вселенной может отличаться от предсказанного стандартной фридмановской космологией. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Эволюция Вселенной обычно исследуется в рамках Общей теории относительности. Эта теория связывает динамику геометрии пространства-времени с плотностью энергии разных типов вещества и полей, но при изучении Вселенной в целом вместо плотностей энергии физики берут их средние значения, игнорируя неоднородности. Некоторые исследователи считают, однако, что такое приближение неадекватно, потому что уравнения Общей теории относительности существенно нелинейны и отклик неоднородностей на изменение геометрии пространства-времени может оказывать значительное влияние на их решения. Высказывались даже предположения, что учет этого влияния может избавить от необходимости введения в уравнения Эйнштейна космологической постоянной для правильного описания расширения Вселенной, или объяснить противоречия между результатами измерения постоянной Хаббла разными методами.
Для изучения влияния неоднородностей на эволюцию Вселенной группа физиков-теоретиков из Германии под руководством Рафаэля Виттковского (Raphael Wittkowski) из Вестфальского университета имени Вильгельма применила к Общей теории относительности формализм проекционного оператора Мори — Цванцига. Этот метод заключается в выделении из всего множества динамических переменных малого набора релевантных переменных с помощью проекционного оператора, а их взаимодействие со всеми остальными переменными сводится к добавлению двух слагаемых к уравнениям эволюции релевантных переменных, которые имеют вид случайного шума и эффекта памяти, связывающего значение переменной в некоторый момент времени с ее значениями во все предыдущие моменты времени.
Для применения формализма Мори — Цванцига к задаче исследования эволюции Вселенной, физики сначала перешли к гамильтоновой формулировке Общей теории относительности, известной также как формализм Арновитта — Дезера — Мизнера, в которой явно разделяются пространство и время, независимые переменные задаются в пространстве в определенный момент времени, а затем исследуется их эволюция. В данной задаче есть бесконечно много динамических переменных, которые представляют собой значения космологической постоянной, метрики, а также плотности энергии в каждой точке пространства. В качестве релевантных переменных исследователи выбрали только три: параметр Хаббла, его квадрат и космологическую постоянную, выражающиеся через переменные из изначального бесконечного набора. Уравнения, которым подчиняются эти величины, совпали с обычными уравнениями Фридмана для расширяющейся плоской Вселенной с точностью до добавления двух слагаемых — усредненного скаляра Риччи и члена, отвечающего за отклик неоднородностей на динамику геометрии, которые, как упоминалось ранее, можно интерпретировать в терминах памяти и случайного шума.
Получившиеся уравнения все еще были слишком сложны, чтобы их можно было решить, и исследователи сделали два приближения — пренебрегли шумом и выбрали простой анзац для слагаемого, отвечающего за память, который зависел всего от двух параметров, которые затем были найдены из сравнения предсказаний получившейся модели с астрономическими данными. Решение уравнений показало, что учет отклика неоднородностей на изменение геометрии почти не влияет на значение наблюдаемого масштабного фактора, логарифмической производной которого по времени является параметр Хаббла, но в будущем он может привести к замедлению расширения Вселенной в сравнении с предсказанием стандартной фридмановской космологии.
Ученые считают, что применение формализма Мори — Цванцига не ограничится их исследованием, и в дальнейшем оно может привести к получению более точных результатов в космологии, как это произошло в теории твердого тела, гидродинамике и физике высоких энергий.
Физики не в первый раз рассматривают нефридмановскую космологию для описания астрономических наблюдений. Ранее мы писали о том, как ученые предположили, что введение самодействия темной материи может приводить к расширению Вселенной безо всякой темной энергии, а также, что хамелеонная гравитация объясняет процесс формирования галактик не хуже Общей теории относительности.
Андрей Фельдман
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.