Početkom 20. stoljeća, mladi znanstvenik po imenu Albert Einstein proučavao je svojstva svjetlosti i mase i njihov međusobni odnos. Rezultat njegovih promišljanja bila je teorija relativnosti. Njegov rad promijenio je modernu fiziku i astronomiju na način koji se osjeća i danas. Svaki učenik proučava svoju poznatu E=MC2 jednadžbu kako bi shvatio kako su masa i energija povezane. Ovo je jedna od temeljnih činjenica postojanja kozmosa.
Koja je kozmološka konstanta?
Koliko god duboke bile Einsteinove jednadžbe za opću relativnost, one su predstavljale problem. Pokušao je objasniti kako masa i svjetlost postoje u svemiru, kako njihova interakcija može dovesti do statičkog (to jest, ne širenja) svemira. Nažalost, njegove su jednadžbe predviđale da će se ili skupljati ili širiti, i da će to nastaviti činiti zauvijek, ali će na kraju doći do točke u kojoj će se skupljati.
Nije mu se činilo u redu, pa je Einstein morao objasniti način zadržavanja gravitacije,objasniti statični svemir. Uostalom, većina fizičara i astronoma njegovog vremena jednostavno je pretpostavljala da je to tako. Tako je Einstein izumio faktor Fudgea, nazvan "kozmološka konstanta", koji je dao red jednadžbama i rezultirao svemirom koji se niti širi niti skuplja. Osmislio je znak "lambda" (grčko slovo), koji označava gustoću energije u vakuumu svemira. On kontrolira širenje, a njegov nedostatak zaustavlja ovaj proces. Sada je bio potreban faktor za objašnjenje kozmološke teorije.
Kako izračunati?
Albert Einstein predstavio je javnosti prvu verziju opće teorije relativnosti (GR) 25. studenog 1915. godine. Einsteinove izvorne jednadžbe izgledale su ovako:
U modernom svijetu, kozmološka konstanta je:
Ova jednadžba opisuje teoriju relativnosti. Također, konstanta se također naziva lambda član.
Galaksije i svemir koji se širi
Kozmološka konstanta nije popravila stvari onako kako je očekivao. Zapravo, radilo je, ali samo neko vrijeme. Problem kozmološke konstante nije riješen.
Ovo se nastavilo sve dok drugi mladi znanstvenik, Edwin Hubble, nije duboko promatrao promjenjive zvijezde u udaljenim galaksijama. Njihovo je treperenje otkrilo udaljenosti do ovih kozmičkih struktura i više.
Hubbleov rad je pokazaone samo da je svemir uključivao mnoge druge galaksije, već se, kako se pokazalo, širio, a sada znamo da se brzina ovog procesa mijenja tijekom vremena. To je uvelike svelo Einsteinovu kozmološku konstantu na nulu, pa je veliki znanstvenik morao revidirati svoje pretpostavke. Istraživači ga nisu potpuno napustili. Međutim, Einstein je kasnije dodavanje svoje konstante općoj relativnosti nazvao najvećom pogreškom u svom životu. Ali je li?
Nova kozmološka konstanta
Godine 1998., tim znanstvenika koji je radio sa svemirskim teleskopom Hubble, proučavajući udaljene supernove, primijetio je nešto potpuno neočekivano: širenje svemira se ubrzava. Štoviše, tempo procesa nije onakav kakav su očekivali i bio je u prošlosti.
S obzirom da je svemir ispunjen masom, čini se logičnim da bi se širenje trebalo usporiti, čak i ako je tako malo. Stoga se činilo da ovo otkriće proturječi onome što su jednadžbe i Einsteinova kozmološka konstanta predviđale. Astronomi nisu razumjeli kako objasniti prividno ubrzanje širenja. Zašto, kako se to događa?
Odgovori na pitanja
Da bi objasnili ubrzanje i kozmološke predodžbe o njemu, znanstvenici su se vratili ideji izvorne teorije.
Njihova najnovija spekulacija ne isključuje postojanje nečega što se zove tamna energija. To je nešto što se ne može vidjeti ili osjetiti, ali se njegovi učinci mogu izmjeriti. To je isto kao i mrakmaterija: njen učinak može se odrediti po tome kako utječe na svjetlost i vidljivu materiju.
Astronomi možda još ne znaju što je ta tamna energija. Međutim, oni znaju da to utječe na širenje svemira. Za razumijevanje ovih procesa potrebno je više vremena za promatranje i analizu. Možda kozmološka teorija ipak nije tako loša ideja? Uostalom, to se može objasniti pretpostavkom da tamna energija postoji. Očigledno je to istina i znanstvenici moraju tražiti daljnja objašnjenja.
Što se dogodilo na početku?
Einsteinov izvorni kozmološki model bio je statički homogeni model sferične geometrije. Gravitacijski učinak materije izazvao je ubrzanje u ovoj strukturi, što Einstein nije mogao objasniti, budući da se u to vrijeme nije znalo da se svemir širi. Stoga je znanstvenik uveo kozmološku konstantu u svoje jednadžbe opće relativnosti. Ova konstanta se primjenjuje kako bi se suprotstavila gravitacijskoj privlačnosti tvari, pa je opisana kao antigravitacijski učinak.
Omega Lambda
Umjesto same kozmološke konstante, istraživači se često pozivaju na odnos između gustoće energije zbog nje i kritične gustoće svemira. Ova se vrijednost obično označava na sljedeći način: ΩΛ. U ravnom svemiru, ΩΛ odgovara djeliću njegove gustoće energije, što se također objašnjava kozmološkom konstantom.
Napominjemo da je ova definicija povezana s kritičnom gustoćom trenutne epohe. S vremenom se mijenja, ali gustoćaenergija, zbog kozmološke konstante, ostaje nepromijenjena kroz povijest svemira.
Razmotrimo dalje kako moderni znanstvenici razvijaju ovu teoriju.
Kozmološki dokaz
Trenutna studija ubrzanog svemira sada je vrlo aktivna, s mnogo različitih eksperimenata koji pokrivaju znatno različite vremenske skale, skale duljine i fizičke procese. Stvoren je kozmološki CDM model u kojem je Svemir ravan i ima sljedeće karakteristike:
- gustoća energije, što je oko 4% barionske tvari;
- 23% tamne tvari;
- 73% kozmološke konstante.
Kritični rezultat promatranja koji je kozmološku konstantu doveo do njenog trenutnog značaja bilo je otkriće da su udaljene supernove tipa Ia (0<z<1) korištene kao standardne svijeće bile slabije nego što se očekivalo u svemiru koji se usporava. Od tada su mnoge grupe potvrdile ovaj rezultat s više supernova i širim rasponom crvenih pomaka.
Objasnimo detaljnije. U trenutnom kozmološkom razmišljanju od posebne su važnosti zapažanja da su supernove s ekstremno visokim crvenim pomakom (z>1) svjetlije od očekivanog, što je potpis koji se očekuje od vremena usporavanja koje vodi do našeg trenutnog razdoblja ubrzanja. Prije objavljivanja rezultata supernove 1998., već je postojalo nekoliko linija dokaza koji su utrli put relativno brzomprihvaćanje teorije ubrzanja Svemira uz pomoć supernova. Konkretno, tri od njih:
- Ispostavilo se da je svemir mlađi od najstarijih zvijezda. Njihova je evolucija dobro proučena, a njihova promatranja u kuglastim nakupinama i drugdje pokazuju da su najstarije formacije stare preko 13 milijardi godina. Možemo to usporediti sa starošću svemira mjerenjem njegove današnje stope širenja i praćenjem unatrag do vremena Velikog praska. Kad bi svemir usporio na svoju trenutnu brzinu, tada bi starost bila manja nego kad bi se ubrzao do sadašnje brzine. Ravni svemir koji sadrži samo materiju bio bi star oko 9 milijardi godina, što je veliki problem s obzirom da je nekoliko milijardi godina mlađi od najstarijih zvijezda. S druge strane, ravan svemir sa 74% kozmološke konstante bio bi star oko 13,7 milijardi godina. Dakle, vidjevši da ona trenutno ubrzava riješio je dobni paradoks.
- Previše udaljenih galaksija. Njihov se broj već naširoko koristio u pokušajima procjene usporavanja širenja Svemira. Količina prostora između dva crvena pomaka razlikuje se ovisno o povijesti širenja (za zadani kut). Koristeći broj galaksija između dva crvena pomaka kao mjeru obujma prostora, promatrači su utvrdili da se udaljeni objekti čine prevelikim u usporedbi s predviđanjima svemira koji se usporava. Ili su se svjetlina galaksija ili njihov broj po jedinici volumena tijekom vremena razvili na neočekivane načine, ili su volumeni koje smo izračunali bili pogrešni. Ubrzavajuća materija bi moglaobjasnio bi opažanja bez pokretanja bilo kakve čudne teorije evolucije galaksije.
- Uočljiva ravnost svemira (unatoč nepotpunim dokazima). Koristeći mjerenja temperaturnih fluktuacija u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini (CMB), od vremena kada je svemir bio star oko 380 000 godina, može se zaključiti da je prostorno ravan s točnošću od nekoliko posto. Kombiniranjem ovih podataka s točnim mjerenjem gustoće materije u svemiru, postaje jasno da on ima samo oko 23% kritične gustoće. Jedan od načina da se objasni gustoća energije koja nedostaje je primjena kozmološke konstante. Kako se pokazalo, određena količina jednostavno je potrebna za objašnjenje ubrzanja uočenog u podacima supernove. Ovo je bio upravo faktor potreban da se svemir učini ravnim. Stoga je kozmološka konstanta razriješila očitu kontradikciju između opažanja gustoće materije i CMB-a.
Koja je poanta?
Da biste odgovorili na pitanja koja se pojavljuju, razmotrite sljedeće. Pokušajmo objasniti fizičko značenje kozmološke konstante.
Uzmemo GR jednadžbu-1917 i stavimo metrički tenzor gab izvan zagrada. Stoga ćemo unutar zagrada imati izraz (R / 2 - Λ). Vrijednost R je predstavljena bez indeksa - ovo je uobičajena, skalarna zakrivljenost. Ako objasnite na prstima - ovo je recipročna vrijednost polumjera kruga/sfere. Ravni prostor odgovara R=0.
U ovoj interpretaciji, vrijednost različita od nule od Λ znači da je naš svemir zakrivljensamo po sebi, uključujući i u odsutnosti bilo kakve gravitacije. Međutim, većina fizičara ne vjeruje u to i vjeruje da promatrana zakrivljenost mora imati neki unutarnji uzrok.
Tamna materija
Ovaj se izraz koristi za hipotetičku materiju u svemiru. Dizajniran je da objasni mnoge probleme sa standardnim kozmološkim modelom Velikog praska. Astronomi procjenjuju da se oko 25% svemira sastoji od tamne tvari (možda sastavljene od nestandardnih čestica kao što su neutrini, aksioni ili masivne čestice sa slabom interakcijom [WIMP]). A 70% svemira u njihovim modelima sastoji se od još nejasnije tamne energije, ostavljajući samo 5% za običnu materiju.
Kreacionistička kozmologija
Godine 1915. Einstein je riješio problem objavljivanja svoje opće teorije relativnosti. Ona je pokazala da je anomalna precesija posljedica toga kako gravitacija iskrivljuje prostor i vrijeme i kontrolira gibanje planeta kada su posebno blizu masivnih tijela, gdje je zakrivljenost prostora najizraženija..
Newtonova gravitacija nije baš točan opis gibanja planeta. Pogotovo kada se zakrivljenost prostora udalji od euklidske ravnosti. A opća teorija relativnosti gotovo točno objašnjava promatrano ponašanje. Dakle, ni tamna tvar, za koju neki sugeriraju da je u nevidljivom prstenu materije oko Sunca, niti sam planet Vulkan, nisu bili potrebni da se objasne anomalija.
Zaključci
U prvim danimakozmološka konstanta bi bila zanemariva. U kasnijim vremenima, gustoća materije bit će u suštini nula, a svemir će biti prazan. Živimo u toj kratkoj kozmološkoj epohi kada su i materija i vakuum usporedive veličine.
Unutar komponente materije, očigledno, postoje doprinosi i od bariona i od ne-barionskog izvora, oba su usporediva (barem njihov omjer ne ovisi o vremenu). Ova se teorija koleba pod teretom svoje neprirodnosti, ali ipak prelazi ciljnu liniju daleko ispred konkurencije, tako da se dobro uklapa u podatke.
Osim potvrde (ili pobijanja) ovog scenarija, glavni izazov za kozmologe i fizičare u narednim godinama bit će razumjeti jesu li ovi naizgled neugodni aspekti našeg svemira jednostavno nevjerojatne koincidencije ili zapravo odražavaju osnovnu strukturu koju mi još ne razumijem.
Ako budemo imali sreće, sve što se sada čini neprirodnim poslužit će kao ključ za dublje razumijevanje fundamentalne fizike.
