La începutul secolului al XX-lea, un tânăr om de știință pe nume Albert Einstein s-a uitat la proprietățile luminii și ale masei și modul în care acestea se relaționează între ele. Rezultatul reflecțiilor sale a fost teoria relativității. Opera sa a schimbat fizica și astronomia moderne într-un mod care se simte și astăzi. Fiecare elev își studiază celebra ecuație E=MC2 pentru a înțelege modul în care masa și energia sunt legate. Acesta este unul dintre faptele fundamentale ale existenței cosmosului.
Care este constanta cosmologică?
Oricât de adânci erau ecuațiile lui Einstein pentru relativitatea generală, ele prezentau o problemă. El a căutat să explice cum există masa și lumina în univers, cum interacțiunea lor poate duce la un univers static (adică nu se extinde). Din păcate, ecuațiile sale au prezis că se va contracta sau se va extinde și va continua să o facă pentru totdeauna, dar va ajunge în cele din urmă la un punct în care se va contracta.
Nu i s-a părut bine, așa că Einstein a trebuit să explice o modalitate de a menține gravitația,pentru a explica universul static. La urma urmei, majoritatea fizicienilor și astronomilor din vremea lui pur și simplu au presupus că acesta este cazul. Așa că Einstein a inventat factorul Fudge, numit „constantă cosmologică”, care a dat ordine ecuațiilor și a rezultat într-un univers care nici nu se extinde, nici nu se contractă. El a venit cu semnul „lambda” (litera greacă), care denotă densitatea energetică în vidul spațiului. Controlează expansiunea, iar lipsa acestuia oprește acest proces. Acum era nevoie de un factor pentru a explica teoria cosmologică.
Cum se calculează?
Albert Einstein a prezentat publicului prima versiune a teoriei generale a relativității (GR) pe 25 noiembrie 1915. Ecuațiile originale ale lui Einstein arătau astfel:
În lumea modernă, constanta cosmologică este:
Această ecuație descrie teoria relativității. De asemenea, o constantă este numită și membru lambda.
Galaxii și universul în expansiune
Constanta cosmologică nu a remediat lucrurile așa cum se aștepta el. De fapt, a funcționat, dar doar pentru o perioadă. Problema constantei cosmologice nu a fost rezolvată.
Aceasta a continuat până când un alt tânăr om de știință, Edwin Hubble, a făcut o observație profundă a stelelor variabile din galaxii îndepărtate. Pâlpâirea lor a dezvăluit distanțele până la aceste structuri cosmice și multe altele.
Lucrarea lui Hubble a demonstratnu numai că universul includea multe alte galaxii, dar, după cum sa dovedit, se extindea, iar acum știm că ritmul acestui proces se modifică în timp. Acest lucru a redus în mare măsură constanta cosmologică a lui Einstein la zero, iar marele om de știință a trebuit să-și revizuiască presupunerile. Cercetătorii nu l-au abandonat complet. Cu toate acestea, Einstein a numit mai târziu adăugarea constantei sale la relativitatea generală cea mai mare greșeală din viața sa. Dar este?
Nouă constantă cosmologică
În 1998, o echipă de oameni de știință care lucra cu telescopul spațial Hubble, care studia supernove îndepărtate, a observat ceva complet neașteptat: expansiunea universului se accelerează. Mai mult, ritmul procesului nu este cel așteptat și a fost în trecut.
Având în vedere că universul este plin de masă, pare logic ca expansiunea să încetinească, chiar dacă ar fi atât de mică. Astfel, această descoperire părea să contrazică ceea ce au prezis ecuațiile și constanta cosmologică a lui Einstein. Astronomii nu au înțeles cum să explice accelerația aparentă a expansiunii. De ce, cum se întâmplă asta?
Răspunsuri la întrebări
Pentru a explica accelerația și noțiunile cosmologice despre aceasta, oamenii de știință au revenit la ideea teoriei originale.
Cele mai recente speculații ale lor nu exclud existența a ceva numit energie întunecată. Este ceva ce nu poate fi văzut sau simțit, dar efectele sale pot fi măsurate. Este la fel ca întunericmaterie: efectul său poate fi determinat de modul în care afectează lumina și materia vizibilă.
Este posibil ca astronomii să nu știe încă ce este această energie întunecată. Cu toate acestea, ei știu că afectează expansiunea universului. Pentru a înțelege aceste procese, este nevoie de mai mult timp pentru observare și analiză. Poate că teoria cosmologică nu este o idee atât de rea până la urmă? La urma urmei, poate fi explicată presupunând că energia întunecată există. Aparent, acest lucru este adevărat și oamenii de știință trebuie să caute explicații suplimentare.
Ce s-a întâmplat la început?
Modelul cosmologic original al lui Einstein a fost un model static omogen cu o geometrie sferică. Efectul gravitațional al materiei a provocat o accelerare în această structură, pe care Einstein nu a putut-o explica, deoarece la acea vreme nu se știa că universul se extinde. Prin urmare, omul de știință a introdus constanta cosmologică în ecuațiile sale ale relativității generale. Această constantă este aplicată pentru a contracara atracția gravitațională a materiei și, prin urmare, a fost descrisă drept efect antigravitațional.
Omega Lambda
În locul constantei cosmologice în sine, cercetătorii se referă adesea la relația dintre densitatea energetică datorată acesteia și densitatea critică a universului. Această valoare se notează de obicei după cum urmează: ΩΛ. Într-un univers plat, ΩΛ corespunde unei fracțiuni din densitatea sa de energie, care se explică și prin constanta cosmologică.
Rețineți că această definiție este legată de densitatea critică a epocii actuale. Se schimbă în timp, dar densitateaenergia, datorită constantei cosmologice, rămâne neschimbată de-a lungul istoriei universului.
Să luăm în considerare în continuare modul în care oamenii de știință moderni dezvoltă această teorie.
Dovada cosmologică
Studiul actual al universului care se accelerează este acum foarte activ, cu multe experimente diferite care acoperă scale de timp, scale de lungime și procese fizice foarte diferite. A fost creat un model CDM cosmologic, în care Universul este plat și are următoarele caracteristici:
- densitatea energetică, care reprezintă aproximativ 4% din materia barionică;
- 23% materie întunecată;
- 73% din constanta cosmologică.
Rezultatul observațional critic care a adus constanta cosmologică la semnificația sa actuală a fost descoperirea că supernovele îndepărtate de tip Ia (0<z<1) folosite ca lumânări standard erau mai slabe decât se aștepta într-un univers care încetinește. De atunci, multe grupuri au confirmat acest rezultat cu mai multe supernove și o gamă mai largă de deplasări spre roșu.
Să explicăm mai detaliat. De o importanță deosebită în gândirea cosmologică actuală sunt observațiile conform cărora supernovele cu deplasare spre roșu extrem de ridicată (z>1) sunt mai strălucitoare decât se aștepta, ceea ce este o semnătură care este așteptată din timpul de decelerare care duce la perioada noastră actuală de accelerație. Înainte de lansarea rezultatelor supernovei în 1998, existau deja mai multe linii de dovezi care au deschis calea pentru un proces relativ rapid.acceptarea teoriei de accelerare a Universului cu ajutorul supernovelor. În special, trei dintre ele:
- Universul s-a dovedit a fi mai tânăr decât cele mai vechi stele. Evoluția lor a fost bine studiată, iar observațiile lor în clustere globulare și în alte părți arată că cele mai vechi formațiuni au peste 13 miliarde de ani. Putem compara acest lucru cu epoca universului, măsurând rata de expansiune a acestuia astăzi și urmărindu-ne până la timpul Big Bang-ului. Dacă universul ar încetini până la viteza sa actuală, atunci vârsta ar fi mai mică decât dacă ar accelera până la viteza sa actuală. Un univers plat, numai materie ar avea o vechime de aproximativ 9 miliarde de ani, o problemă majoră, având în vedere că este cu câteva miliarde de ani mai tânăr decât cele mai vechi stele. Pe de altă parte, un univers plat cu 74% din constanta cosmologică ar avea aproximativ 13,7 miliarde de ani. Deci, văzând că în prezent accelerează, a rezolvat paradoxul vârstei.
- Prea multe galaxii îndepărtate. Numărul lor a fost deja folosit pe scară largă în încercările de a estima încetinirea expansiunii Universului. Cantitatea de spațiu dintre două deplasări la roșu diferă în funcție de istoricul expansiunii (pentru un unghi solid dat). Folosind numărul de galaxii dintre două deplasări spre roșu ca măsură a volumului spațiului, observatorii au stabilit că obiectele îndepărtate par prea mari în comparație cu predicțiile unui univers care încetinește. Fie luminozitatea galaxiilor, fie numărul lor pe unitate de volum a evoluat în timp în moduri neașteptate, fie volumele pe care le-am calculat au fost greșite. Materia accelerată ar puteaar explica observațiile fără a declanșa vreo teorie ciudată a evoluției galaxiilor.
- Planeitatea observabilă a universului (în ciuda dovezilor incomplete). Folosind măsurători ale fluctuațiilor de temperatură în fundalul cosmic cu microunde (CMB), de pe vremea când universul avea aproximativ 380.000 de ani, se poate concluziona că este plat din punct de vedere spațial cu câteva procente. Prin combinarea acestor date cu o măsurare precisă a densității materiei din univers, devine clar că are doar aproximativ 23% din densitatea critică. O modalitate de a explica densitatea de energie lipsă este aplicarea constantei cosmologice. După cum sa dovedit, o anumită cantitate este pur și simplu necesară pentru a explica accelerația observată în datele supernovei. Acesta a fost doar factorul necesar pentru a face universul plat. Prin urmare, constanta cosmologică a rezolvat aparenta contradicție dintre observațiile despre densitatea materiei și CMB.
Ce rost are?
Pentru a răspunde la întrebările care apar, luați în considerare următoarele. Să încercăm să explicăm semnificația fizică a constantei cosmologice.
Luăm ecuația GR-1917 și scoatem din paranteze tensorul metric gab. Prin urmare, în paranteze vom avea expresia (R / 2 - Λ). Valoarea lui R este reprezentată fără indici - aceasta este curbura scalară obișnuită. Dacă explicați pe degete - aceasta este reciproca razei cercului / sferei. Spațiul plat corespunde cu R=0.
În această interpretare, o valoare diferită de zero a lui Λ înseamnă că Universul nostru este curbatde la sine, inclusiv în absența oricărei gravitații. Cu toate acestea, majoritatea fizicienilor nu cred acest lucru și cred că curbura observată trebuie să aibă o cauză internă.
Materia întunecată
Acest termen este folosit pentru materia ipotetică din univers. Este conceput pentru a explica o mulțime de probleme cu modelul cosmologic standard Big Bang. Astronomii estimează că aproximativ 25% din univers este alcătuit din materie întunecată (poate asamblată din particule nestandard, cum ar fi neutrini, axioni sau particule masive cu interacțiune slabă [WIMP]). Și 70% din Univers din modelele lor constă din energie întunecată și mai obscure, lăsând doar 5% pentru materia obișnuită.
Cosmologie creaționistă
În 1915, Einstein a rezolvat problema publicării teoriei sale generale a relativității. Ea a arătat că precesia anormală este o consecință a modului în care gravitația distorsionează spațiul și timpul și controlează mișcările planetelor atunci când acestea sunt în special aproape de corpurile masive, unde curbura spațiului este cea mai pronunțată.
Gravația newtoniană nu este o descriere foarte exactă a mișcării planetare. Mai ales când curbura spațiului se îndepărtează de planeitatea euclidiană. Iar relativitatea generală explică comportamentul observat aproape exact. Astfel, nici materia întunecată, despre care unii au sugerat că se afla într-un inel invizibil de materie în jurul Soarelui, nici planeta Vulcan în sine, nu au fost necesare pentru a explica anomalia.
Concluzii
În primele zileconstanta cosmologică ar fi neglijabilă. În vremuri ulterioare, densitatea materiei va fi în esență zero, iar universul va fi gol. Trăim în acea scurtă epocă cosmologică în care atât materia, cât și vidul sunt de mărime comparabilă.
În componenta materie, aparent, există contribuții atât de la barioni, cât și de la o sursă non-barionică, ambele sunt comparabile (cel puțin, raportul lor nu depinde de timp). Această teorie se clătina sub greutatea nefirească, dar cu toate acestea traversează linia de sosire cu mult înaintea competiției, atât de bine se potrivește cu datele.
Pe lângă confirmarea (sau infirmarea) acestui scenariu, principala provocare pentru cosmologi și fizicieni în următorii ani va fi să înțeleagă dacă aceste aspecte aparent neplăcute ale universului nostru sunt pur și simplu coincidențe uimitoare sau reflectă de fapt structura de bază pe care o avem. încă nu înțeleg.
Dacă avem noroc, tot ceea ce pare nenatural acum va servi drept cheie pentru o înțelegere mai profundă a fizicii fundamentale.
