Курс лекций: Физико-технические основы токамака-реактора ИТЭР Владимир Юрьевич Сергеев проф., д.ф.м.н., кафедра физики плазмы физико-технический факультет СПбГПУ

2 Содержание лекции 1-2 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам Опция – разновидности энергии, черная материя и черная энергия

3 В данном курсе достаточно полно и последовательно излагается физические основы токамака-реактора ИТЭР (the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Основой для данного курса являются обзоры в ведущем научном журнале термоядерного сообщества Ядерный синтез (Nuclear fusion) вышедшие в 1999 [Nucl. Fusion pp. 2137–2664] и 2007 гг. [Nucl. Fusion –413]. Целью данного курса является суммирование всех важных физических явлений, ответственных за успешное протекание термоядерной реакции в токамаке- реакторе с магнитным удержанием плазмы на примере проекта ИТЭР. При этом в задачи курса входит: Создание целостной и взаимосвязанной картины сложных физических явлений, протекающих в горячей термоядерной плазме; Обучение быстрому ориентированию в различных проблемах, а именно умению выделить основные задачи, их современный уровень проработки и путях их решения. Общие замечания к курсу

4 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

5 Глобальный энергетический баланс на Земле Q=10 21 Дж. 1 кВт час= Дж На Землю ежегодно падает от Солнца С 3300 Q. (примерно половина отражается) На весь фотосинтез затрачивается 1,2 Q/год. Ветер, атмосферные течения11 Q/год. Гидроэнергия 0,1 Q/год. За всю историю вплоть до ХХ века человечество израсходовало примерно 1 Q. В 1995 году 0,4 Q. Прогноз на ,6 Q. Пределом годового потребления в настоящее время считается 0,1% от С,т.е. 3,3 Q

6 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

7 Парниковый эффект Парниковый эффект – повышение температуры нижних слоёв атмосферы по сравнению с температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн нм (видимый свет и ближний инфракрасный диапазон) приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК- областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне. Атмосфера, содержащая газы, поглощающие в этой области спектра (т. н. парниковые газы H 2 O, CO 2, CH 4 и пр.) существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности. Исходя из того, что «естественный» парниковый эффект - это устоявшийся, сбалансированный процесс, увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере должно привести к глобальному потеплению климата.

8 Парниковый эффект(1) Изменение температуры земной поверхности за тысячелетие. Данные по Северному полушарию. Красным цветом представлены прямые измерения термометрами, серым – по годичным кольцам деревьев, синим – по ледовым пробам и историческим записям.

9 Киотский протокол Киотский протокол международный документ, принятый в Киото в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. По состоянию на 2006 год Протокол был ратифицирован 161 страной мира (совокупно ответственными за ~61 % общемировых выбросов). Исключения – США, Австралия. В соответствии с ним, к 2012 году планируется снизить выброс шести типов газов (CO2, CH4, гидрофторуглеводороды, перфторуглеводороды, N2O, SF6), вызывающих парниковый эффект, на 5,2 процента по сравнению с уровнем 1990 года. Наибольший объем этих промышленных газов приходится как раз на долю США и Австралии. Киотский протокол стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночных механизмах регулирования механизме международной торговли квотами на выбросы парниковых газов. Ряд стран взял на себя дополнительные обязательства по снижению выбросов в годах: ЕС должен сократить выбросы на 8 %, Япония и Канада на 6 %, Россия и Украина сохранить среднегодовые выбросы в годах на уровне 1990 года. Развивающиеся страны, включая Китай и Индию, доп. обязательств на себя не брали. Механизм Киотского протокола на территории России пока реально не начал действовать. В целом ужесточение контроля на руку индустриальным странам, так как это будет сдерживать экономическое развитие развивающихся стран.

10 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

11 Рост мирового энергопотребления. Источники: Energy Information Administration (EIA), International Energy Overlook 2005.

12 Источники и потребители энергии (на примере США) США (2004)

13 Кем и в каких объемах используется энергия? Мировое потребление энергии, млн. тонн эквивалента нефти : Китай и Индия имеют высокие темпы развития! И почти половину населения планеты!!! США «кушает» четверть энергии при населении 5% от населения планеты!!!

14 География удельного потребления энергии Потребление энергии на душу населения, 2004 г.: Лидируют США и некоторые страны-поставщики полезных ископаемых – Россия, Норвегия, Саудовская Аравия Слаборазвитые страны-поставщики – Иран, Ирак, Венесуэла,- потребляют мало энергии на душу населения !

15 Кто и какую энергию потребляет? Мировое потребление энергии по видам топлива в %, 2004 год: Развитые страны США, Западная Европа и Япония имеют близкое распределение по видам топлива Китай, Индия потребляют много угля – проблемы экологии В России много запасов и потребления природного газа В Бразилии и Канаде хорошо поставлена гидроэнергетика

16 Динамика основных видов мирового потребления энергии (млн. тонн в нефтяном эквиваленте в год) Нефть, газ и уголь – основной источник энергии Гидро- и атомная энергетика по 5 %. Авария в Чернобыле сдерживает рост атомной энергетики

17 Насколько эффективно используется энергия? США имеют самый большой ВВП и самое большое энергопотребление Однако, по удельной энергоемкости продукции лидируют другие страны По этому параметру мы близки к США и Западной Европе Бразилии, Мексики даже Индонезия лучше Китай и Индия имеют низкую удельную энергоемкость

18 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

19 Приблизительная оценка энергоресурсов Земли Источники: [2.1] Energy Options for the Futureб Meeting at US Naval Research Laboratory, March 2004 ЭнергоносительЗапас, тонн На сколько лет, при потреблении 1 Q/год Нефть2,85х10 11 ~ 13.3 Газ2-3 х ~ 8 Уголь9.74х Уран и торий ~10 8 ~5000 Дейтерий2.5 х ~1.5×10 10

20 Качественное сравнение топлива Количество топлива в год, требующееся для питания электростанции мощностью 1000 МВт (эл.) Уголь2-3 млн. тонн Нефть1.5-2 млн. тонн Реакции деления ~ 30 тонн Реакции синтезасотни кг Топливо для атомных и термоядерных станций гораздо более энергоёмко и такие экологические проблемы, как образование золы или окислов газов для них отсутствует. Видно, что для ядерной и, особенно, термоядерной энергетики, фактически нет ни проблемы транспортировки больших количеств топлива, ни загрязнения атмосферы золой и окислами газов

21 Энергетические и социальные альтернативы!

22 Основные экологические последствия энергетики Использование энергии химической связи – при сжигании топлива выделяются напрямую опасные для человека газы (например, оксиды азота); газы, создающие парниковый эффект (см. ниже); образуются зола и шлак, содержащие вредные компоненты (в т.ч. радиоактивные), использование шлака затруднено, а складирование занимает большие площади; нарушается тепловой баланс территорий, прилегающих к ТЭС; добыча топлива, особенно открытым методом, наносит вред окружающей среде. Использование энергии ядерной связи – добыча и переработка топлива наносит вред окружающей среде; нарушается тепловой баланс прилегающих водоемов; трудности в переработке или захоронении отработанного топлива и радиоактивных материалов; возможны опаснейшие нештатные ситуации. Использование потенциальной энергии (ГЭС) – затопление прилегающих территорий; нарушается водный баланс (переувлажнение местности); большое испарение с огромных площадей водохранилищ – меняется климат; теряются нерестилища рыб.

23 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

24 Исследования по термоядерному синтезу в России Основные экспериментальные установки Основные лаборатории Магнитное удержаниеИнерционное удержание РАНРОСАТОМ –ФТИ им. Иоффе (С-Петербург) –ИЯФ (Новосибирск) –ИПФ (Н.Новгород) –ИОФАН (Москва) –ФИАН (Москва) –ИТЭС (Москва) –ИСЭ (Томск) РОСНАУКА Высшая школа –НИИЭФА (С-Петербург) –ТРИНИТИ (Троицк) –ВНИИЭФ (Саров) –ВНИИТФ (Снежинск) –ИТЭФ (Москва) –МФТИ –СПб ГПУ –МИФИ –МЭИ –МИРЭА Токамаки – Т-10, Т-15 (РНЦ КИ); Т-11М (ТРИНИТИ); Глобус-М (ФТИ РАН) Стеллараторы – Л-2М (ИОФАН) Магнитные ловушки – ГДЛ, ГОЛ-3 (ИЯФ СО РАН) Лазеры – Мишень (ТРИНИТИ); Искра-5, Искра-6 (ВНИИЭФ) Тяжелые ионы – ТВА (ИТЭФ) Магнитное сжатие – Ангара 5-1, Байкал (ТРИНИТИ); С-300 (РНЦ КИ); ГИТ-12 (ИСЭ); МАГО, ЭМИР (ВНИИЭФ) –РНЦ КИ

25 Научный базис – глубокий, широкий, оптимистичный ОбластьСтатус Лучшие показатели Прогноз Нагрев Генерация тока Устойчивость Удержание Управление мощностью и частицами Физика понята, технология разработана Физика понята Область устойчивости определена и предсказуема Близко к расчетному Основные физ. элементы вычисляемы Управление профилем давления, альфа нагревом Высокая доля бутстрепа, управл. локальными профилями Стабилизация стенкой Управление транспортными барьерами Низкоплотные диверторы и генерация тока Термоядерное горение Доля постоянного бутстреп-тока близка к 100% Расширение области устойчивости Неоклассическое удержание ионов Длительный режим с низкой эрозией стенки

26 Установка ТОКАМАК с магнитным удержанием плазмы является лидером освоения УТС Красным отмечены параметры, отставание по которым будет устранено после сооружения токамака ИТЭР ПараметрыСовременныйуровень Требования к ИТЭР Температура,кэВ50(TFTR)15 Концентрация,10 20 м -3 15(Alcator-C Modе)1 Время жизни,с 1 (JET)3 Малый радиус,м1.11.1(JET)2 Большой радиус,м3(JET)6 Длительность разряда, с 360 (Tore Supra)400 Мощность нагрева,МВт50(TFTR)100 Мощность синтеза,МВт1616(JET)500 Длительность горения, с10(JET)400

27 Что было достигнуто ? в D-T плазме в D-T плазме при при 20 МВт введенной мощности E 16 MW мощность синтеза 16 МВт Рекорд (P вых. /P ввод. = 0.8), но пока не break-even! Рекорд (P вых. /P ввод. = 0.8), но пока не break-even!

28 AUGJET ITER 30 years Видно, что размер установок постоянно увеличивается Масштаб отличия параметров ИТЭР от современных установок сравним с отличием современных установок от тех, что создавались на начальном этапе исследований Размеры и скэйлинг

29 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

30 Задачи ИТЭР =400 сек В индуктивном режиме достичь: Q=10, P ТЯ =500 МВт В стационарном режиме приблизиться: Q=5, P ТЯ = МВт =3000 сек Испытать основные технологии термоядерного реактора Исследование термоядерной плазмы: физика -частиц, кинетические неустойчивости, удаление зоны управление профилями из-за дополнительного нагрева, потоками плазмы на стенку и в дивертор контроль неустойчивостей шнура Работа бланкета и дивертора при значительной тепловой нагрузке Подпитка реактора топливом (пеллет-инжекция и др.) Работа с тритием (модуль наработки трития, retention)

31 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

32 2.5%, 0.7 T, P T, P 10 Q (P fus /P in ) 80+ P (MW) P aux (MW) 0.5, 1.85,, 5.3 B t (T) 15(17) I P (MA) 850 V P (m 3 ) 2 a (m) 6.2 R (m) ИТЭР Оценка стоимости: 5 миллиардов евро

33 Параметры ИТЭР и его операционные возможности

34 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

35 История развития проекта ИТЭР ITER – уникальный пример международного сотрудничества Management Advisory Committee Technical Advisory Committee Director Central Team Europe Design bureau Japan Design bureau Russia Design bureau USA Design bureau ITER Council 1988 – – – ….

36 Вклады участников в проект ИТЭР (июль 2001) Проектирование НИР Полная стоимость НИОКР около 2 миллиардов USD

37 Вклад РФ в сооружение ИТЭР КАБЕЛЬ ДЛЯ КАТУШЕК ПОЛОИДАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ, КАТУШКИ PF1 И PF6 КАБЕЛЬ ДЛЯ КАТУШЕК ТОРОИДАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ КОММУТИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ЗАЩИТЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТЫ ДИВЕРТОРНОГО ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА СБОРКИ ПЕРВОЙ СТЕНКИ И ЗАЩИТНОГО БЛАНКЕТА РЕАКТОРА ПАТРУБКИ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ ПОРТ-ЛИМИТЕРЫ С БЕРРИЛИЕВЫМ ПОКРЫТИЕМ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ НАГРЕВ ПЛАЗМЫ

38 Информация в реальном времени должна быть доступна всем участникам проекта

39 Содержание лекции 1 «Вводная лекция» 1.Введение 1.1. Глобальный энергетический баланс на Земле 1.2. Влияние потребляемой человечеством энергии на экологию 1.3. Структура энергопотребления 1.4. Оценка запасов различных видов топлива 1.5. Состояние исследований по УТС 2.ИТЭР: задачи и возможности 2.1. Задачи ИТЭР 2.2. Основные параметры ИТЭР 2.3. История проекта ИТЭР, вклад РФ в проектирование и НИР 2.4. Требования к ТЯ реакторам

40 Безопасность термоядерных реакторов Термоядерные реакторы (ТЯР) относятся к категории радиационных источников. (закон Российской Федерации No 28 ФЗ oт г) Невозможен неконтролируемый разгон мощности. При увеличении мощности и температуры термоядерная реакция прекращается. Интенсивность дозы на границе станции при максимально возможной аварии в 3-5 раз ниже разрешенной для населения Количество топливной смеси в вакуумной камере менее 1 г и при прекращении подачи топлива термоядерная реакция прекращается в течение 10 с.

41 Безопасность термоядерных реакторов (1) Kоличество высокоактивных отходов меньше, чем в ядерных реакторах деления. При аварии ТЯР в выбросе нет актинидов, йода, стронция, цезия. Опасности: тритий, окислы вольфрама, бериллий, пыль, возможность образования водорода при прорыве воды в камеру, энергия магнитных полей Проект ИТЭРа не разрешает иметь в камере более 330 г мобилизуемого трития, через каждые импульсов нужно проводить операцию удаления трития - разработка технологии.

Экономика термоядерного синтеза Плюсы 1.Доступность энергоресурсов. 2.Минимальное воздействие на окружающую среду. 3.Возможность обеспечения крупномасштабного и стабильного энергоснабжения. Минусы 1.Конкурентоспособность (наиболее проблематично) по себестоимости электроэнергии. Себестоимость производимой электроэнергии может составить ~ 3 – 6 евроцентов/кВтчас и при крайних оценках 5 – 9 евроцентов/кВтчас [1]. Для примера, стоимость гидроэнергии, в настоящий момент составляет 1 –2 евроцентов/кВтчас. 2. Невозможно создавать компактные установки малой мощности [1]. EUROPEAN FUSION POWER PLANT STUDIES, I. Cook, D. Maisonnier, N. P. Taylor, D. J. Ward, P. Sardain, L. Di Pace, L. Giancarli, S. Hermsmeyer, P. Norajitra, R. Forrest, for the PPCS Team.

43 Разновидности энергии Выделяют следующие разновидности энергии: кинетическая энергия энергия взаимодействия тел (потенциальная)энергия взаимодействия внутренняя энергия энергия связи и связанные с ней энергия химической реакции, энергия ядерной реакцииэнергия связиэнергия химической реакции энергия ядерной реакции энергия электромагнитного поля энергия вакуума в квантовой теории поля тёмная энергия и тёмная материя в космологии

44 Под физическим вакуумом в современной физике понимают пространство, полностью лишённое не только всех частиц, но также и фотонов и всех прочих внешних полей. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, он не был бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля (т.е. раздел физики, изучающий поведение релятивистских квантовых систем ) утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости ( ) поскольку во всякой квантовой системе не могут одновременно точно равняться нулю все физические величины, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей.физическим вакуумомКвантовая теория поляпринципом неопределённостивиртуальные частицынулевые колебания Энергия вакуума в квантовой теории поля

45 Примеры известных эффектов в физике элементарных частиц с участием виртуальных частиц Спонтанная эмиссия фотона в процессе распада возбужденного атома или ядра; такой распад невозможен по законам обычной квантовой физики и требует квантификации электромагнитного поля для объясненияСпонтанная эмиссияфотона Эффект Казимира, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакуумеЭффект Казимираквантовых флуктуацийвакууме Сила Ван Дер Вальса, которая похожа на эффект Казимира, только происходит между двумя атомамиСила Ван Дер Вальса Вакуумная поляризация, которая включает генерацию пары частица- античастица или «распад вакуума», как, например, спонтанная генерация электрон-позитронной пары.Вакуумная поляризациягенерацию пары частица- античастица«распад вакуума» Энергия вакуума в квантовой теории поля (1)

46 Космологические же данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной.Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Космологические же данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих «темную материю» во Вселенной. Темная энергия и материя в космологии

47 Темная энергия и материя в космологии(1)

48 Вселенная в целом однородна: все области во Вселенной выглядят одинаково. Разумеется, это не относится к небольшим областям: есть области, где много звезд это галактики; есть области, где много галактик, это скопления галактик; есть и области, где галактик мало, это гигантские пустоты. Но области размером 300 миллионов световых лет и больше выглядят все одинаково. Темная энергия и материя в космологии(2)

49 Темная энергия и материя в космологии (3)

50 Темная энергия и материя в космологии (4)

51 Темная энергия и материя в космологии (5)

52 Темная энергия и материя в космологии (6)

53 Темная энергия и материя в космологии (7)

54 Темная энергия и материя в космологии (8)

55 Темная энергия и материя в космологии (9) В случае евклидовой геометрии трехмерного пространства общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной с суммарной плотностью всех форм энергии, так же как в ньютоновской теории тяготения скорость обращения Земли вокруг Солнца определяется массой Солнца. Измеренный темп расширения соответствует полной плотности энергии в современной ВселеннойВ случае евклидовой геометрии трехмерного пространства общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной с суммарной плотностью всех форм энергии, так же как в ньютоновской теории тяготения скорость обращения Земли вокруг Солнца определяется массой Солнца. Измеренный темп расширения соответствует полной плотности энергии в современной Вселенной

56 Темная энергия и материя в космологии (10)

57 Сравнение этого расчета с наблюдаемым количеством легких элементов во Вселенной приведено на рисунке: линии представляют собой результаты теоретического расчета в зависимости от единственного параметра плотности обычного вещества (барионов), а прямоугольники наблюдательные данные. Замечательно, что имеется согласие для всех трех легких ядер (гелия-4, дейтерия и лития-7); Важно, что все эти данные также приводят к выводу о том, что плотность массы обычного вещества в современной Вселенной составляет Темная энергия и материя в космологии (11)

58 Темная энергия и материя в космологии (12)

59 Из снимка реликтового излучения можно установить, какова была величина (амплитуда) неоднородностей температуры и плотности в ранней Вселенной она составляла 10 –4 –10 –5 от средних значений. Именно из этих неоднородностей плотности возникли галактики и скопления галактик: области с более высокой плотностью притягивали к себе окружающее вещество за счет гравитационных сил, становились еще более плотными и в конечном итоге образовывали галактики. Поскольку начальные неоднородности плотности известны, процесс образования галактик можно рассчитать и результат сравнить с наблюдаемым распределением галактик во Вселенной. Эти данные приводят к выводу о том, что плотность массы обычного вещества в современной Вселенной составляет т. е. обычное вещество вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной. Темная энергия и материя в космологии (13)

60 Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых гравитационное линзирование, проиллюстрированное на следующем рисунке. Темная энергия и материя в космологии (14)

61 Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Темная энергия и материя в космологии (15)

62 Это проиллюстрировано на рисунке: по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя.Это проиллюстрировано на рисунке: по мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик также согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. По таким измерениям в нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного веществаПо таким измерениям в нашей Галактике в окрестности Солнца масса темной материи примерно равна массе обычного вещества Темная энергия и материя в космологии (16) Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитаци- онное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней.Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитаци- онное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней.

63 Темная энергия и материя в космологии(17)

64 Темная энергия и материя в космологии(18)

65 Темная энергия и материя в космологии(19)

66 Итак, доля обычного вещества (протонов, атомных ядер, электронов) в суммарной энергии в современной Вселенной составляет всего 5%. При этом вещества в звездах ещё в 10 раз меньше; обычное вещество находится в основном в облаках газа. Помимо обычного вещества во Вселенной имеются и реликтовые нейтрино около 300 нейтрино всех типов в кубическом сантиметре. Их вклад в полную энергию (массу) во Вселенной невелик, поскольку массы нейтрино малы, и составляет заведомо не более 3%. Оставшиеся 90–95% полной энергии во Вселенной «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» состоит из двух фракций темной материи и темной энергии, как изображено на рисунке. Темная энергия и материя в космологии (20)

67 Темная энергия гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот. Один из кандидатов на роль темной энергии вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Изменение энергии при изменении объема определяется давлением, ΔЕ = pΔV. При расширении Вселенной энергия вакуума растет вместе с объемом (плотность энергии постоянна), что возможно, только если давление вакуума отрицательно. Темная энергия и материя в космологии (21)

68 Другой кандидат новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное. Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями. Как часто бывает в науке, впечатляющие успехи физики частиц и космологии поставили неожиданные и фундаментальные вопросы. Мы сегодня не знаем, что представляет собой основная часть материи во Вселенной. Мы можем только догадываться, какие явления происходят на сверхмалых расстояниях, и какие процессы происходили во Вселенной на самых ранних этапах её эволюции. Можно надеется, что на многие из этих вопросов ответы будут найдены в обозримом будущем в течение 10– 15 лет, а может быть, и раньше. Наше время это время кардинального изменения взгляда на природу, и главные открытия здесь еще впереди. Темная энергия и материя в космологии (22)