Ми знаємо, що в найбільших масштабах Всесвіт досить однорідний: в середньому він майже однаковий і не має переважного напрямку. Неможливо визначити, куди він рухається.
А це означає, серед іншого, що його вміст можна моделювати як "ізотропну ідеальну рідину": середовище, яке не має ні зсуву, ні в'язкості, лише густину і тиск, причому тиск не залежить від напрямку.
Але як виміряти тиск? З математичного погляду все дуже просто: "рівняння стану", тобто \( w = \frac{p}{\rho} \). Тут \( p \) - це тиск, а \( \rho \) - густина енергії. (Тут енергія в айнштайнівському значенні - маса, помножена на швидкість світла у квадраті, тому густина енергії та густина маси — тотожні категорії).
Краса цього виразу полягає в тому, що \( p \) і \( \rho \) вимірюються в одних і тих самих одиницях. Як так, запитаєте ви? Ну... тиск - це сила, поділена на площу. Енергія - це сила, помножена на відстань; а об'єм - це площа, помножена на довжину (тобто на відстань).
Отже, густина енергії дорівнює (сила на відстань), поділена на (площа на відстань), тобто сила, поділена на площу... так само як і тиск. Отже, відношення \( w \) цих двох величин є просто чистим числом, "безрозмірною" величиною.
Безглуздя.
Припустимо, тиску немає. Тоді \( w=0 \). Космологи називають це "пилом".
Інакше кажучи, більшість звичайної матерії фізики спрощують до "пилу". А для космологів лише надзвичайно гаряча матерія, в якій частинки рухаються з релятивістською швидкістю, має значення, адже суттєво відрізняється від нуля. Тобто: матерія існувала лише в момент Великого вибуху або деякий час після нього, поки не з'явилися перші фізичні елементи.
Питання: наскільки суттєво?
В екстремальній межі "ультрарелятивістського газу", \( w=1/3 \).
Але рівняння насправді допускають більш екстремальні значення, значення за межами діапазону між 0 і 1/3. Ми можемо дійти до \( w=1 \). Понад це, \( w>1 \) не працює, оскільки передбачає середовище, в якому звук поширюється швидше, ніж світло у вакуумі! Все, що нижче 1 — нормально, це “існуюче”.
І водночас \( w \) може бути від'ємним. Мати від'ємний тиск. Коли частинки газу відштовхуються одна від одної, ми отримуємо позитивний тиск. А якби вони притягувалися одна до одної, "злипалися", то виник би від'ємний тиск. Тому фізики враховують значення \( w \ge -1 \). У разі \( w < -1 \) ми б опинились у нестабільному всесвіті.
І ще один шматочок головоломки: коли всесвіт розширюється, густина енергії цієї речовини змінюється. Але густина енергії також включає енергію взаємодії між частинками цієї речовини.
Отже, густина енергії "пилу" змінюватиметься як величина, обернена до об'єму. А на одній крайній межі шкали, при \( w=-1 \), густина енергії залишається постійною, навіть коли всесвіт розширюється.
Робимо висновок: космос складається з ізотропної рідини. Або, можливо, з суміші ізотропних ідеальних рідин.
Якої самої?
Ми дивимось на спостереження. Вік всесвіту. Статистичний розподіл матерії. Коливання космічного мікрохвильового фону. Далекі наднові.
Ми знаємо, що всесвіт "працює", складаючись приблизно на 30% з "пилу" і на 70% з речовини з \( w=-1 \). Разом - 100% так званої "критичної густини", яка необхідна для евклідової геометрії.
Проблема полягає в тому, що реальні речі, які ми бачимо, - зірки, газ, пил, - становить лише близько 4%. Решта 96% має бути чимось іншим. Ми називаємо відсутні 26% "пилу" "темною матерією", а відсутні 70% речовини з \( w=-1 \) - ""темною енергією".
Існує багато спекуляцій щодо того, що це за "темна матерія" і "темна енергія". Але ми не знаємо. Поки що експерименти, спрямовані на безпосереднє виявлення цих середовищ, не дали жодних результатів. Ми робимо висновок про їхнє існування з гравітаційних та космологічних спостережень, але ми не бачимо ні того, ні іншого.
Однак, якщо наші гіпотези правильні, то зі старінням і розширенням Всесвіту "пил" розріджується, а речовина з \( w=-1 \) - ні."Темна енергія" захоплює всесвіт. Це означає, що вона прискорює швидкість розширення всесвіту.
Що таке темна матерія і темна енергія? Є припущення. Хоча все наше знання обмежується необхідною математикою та проксимальними моделями. Якось так.
Пропонуємо ще декілька цікавих матеріалів про космос та всесвіт:
Що таке світло? Результати дослідження 1/8 Всесвіту
Як розуміти походження Всесвіту, якщо ми відмовимося від теорії Великого вибуху
Математичні роздуми на тему: Темна матерія, космічне прискорення чи темна гравітація?
