Kozmološka konstanta: pojam, definicija, formula izračuna i problemi

Početkom 20. stoljeća mladi znanstvenik po imenu Albert Einstein razmatrao je svojstva svjetlosti i mase i njihov međusobni odnos. Rezultat njegovih razmišljanja bila je teorija relativnosti. Njegov je rad promijenio modernu fiziku i astronomiju na način na koji se i danas osjeća. Svaki student proučava svoju poznatu jednadžbu AMAP = AMAP2 kako bi razumio kako su masa i energija međusobno povezane. To je jedna od temeljnih činjenica postojanja kozmosa.

Što je kozmološka konstanta?

Koliko god Einsteinove jednadžbe bile duboke za opću relativnost, one su predstavljale problem. Nastojao je objasniti kako masa i svjetlost postoje u svemiru, kako njihova interakcija može dovesti do statičkog (tj. . Nažalost, njegove su jednadžbe predviđale da će se ili smanjiti ili proširiti, a to će se događati zauvijek, ali na kraju će doći do točke u kojoj će se početi smanjivati.

To mu se nije činilo ispravnim, pa je Einstein trebao objasniti način zadržavanja gravitacije kako bi objasnio statički svemir. Napokon, većina fizičara i astronoma njegova vremena samo je pretpostavljala, što je to i ima. Tako je Einstein izumio fudgeov faktor nazvan "kozmološke konstante", što je jednadžbama dalo red i rezultiralo svemirom koji se nije širio ili smanjivao. Smislio je znak "Lambda" (grčko slovo) koji označava gustoću energije u vakuumu prostora. Ona upravlja proširenjem, a njezin nedostatak zaustavlja taj proces. Sada je bio potreban faktor za objašnjenje kozmološke teorije.

Kako izračunati?

Albert Einstein predstavio je prvu verziju opće relativnosti (gr) javnosti 25. studenog 1915. U originalu su Einsteinove jednadžbe izgledale ovako:

U suvremenom svijetu kozmološka konstanta je:

Ova jednadžba opisuje teoriju relativnosti. Također konstantu još zove se Lambda član.

Galaksije i svemir koji se širi

Kozmološka konstanta nije sve popravila onako kako je očekivao. Zapravo, uspjelo je, ali samo neko vrijeme. Problem kozmološke konstante nije riješen.

To je trajalo sve dok drugi mladi znanstvenik, Edvin Hubble, nije napravio duboko promatranje promjenjivih zvijezda u dalekim galaksijama. Njihovo treperenje otkrilo je udaljenosti do tih kozmičkih struktura i još mnogo toga.

Hubbleov rad pokazao je ne samo da je svemir uključivao mnoge druge galaksije, već se ispostavilo da se širi, a sada znamo da se brzina tog procesa mijenja tijekom vremena. To je uvelike smanjilo Einsteinovu kozmološku konstantu na nulu, a veliki znanstvenik morao je preispitati svoje pretpostavke. Istraživači ga nisu u potpunosti napustili. Međutim, Einstein je kasnije dodavanje svoje konstante nazvao opće teorije relativnost je najveća pogreška u životu. Ali je li to istina?

Nova kozmološka konstanta

Godine 1998. tim znanstvenika koji rade s svemirskim teleskopom Hubble, proučavajući udaljene supernove, primijetio je nešto potpuno neočekivano: širenje svemira se ubrzava. Štoviše, tempo procesa nije onakav kakav su očekivali, a u prošlosti je bio drugačiji.

S obzirom na to da je svemir ispunjen masom, čini se logičnim da bi se širenje trebalo usporiti, čak i ako je bilo tako malo. Stoga se činilo da je ovo otkriće u suprotnosti s onim što su predviđale Einsteinove jednadžbe i kozmološka konstanta. Astronomi nisu razumjeli, kako objasniti očito ubrzanje širenja. Zašto, kako se to događa?

Odgovori na pitanja

Da bi objasnili ubrzanje i kozmološke predodžbe o tome, znanstvenici su se vratili ideji izvorne teorije.

Njihove najnovije pretpostavke ne isključuju postojanje onoga što se naziva tamnom energijom. To je nešto što se ne može vidjeti ili osjetiti, ali njegove posljedice može se mjeriti. To je isto kao i tamna tvar: njezin se utjecaj može odrediti načinom na koji 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. Da bi se razumjeli ti procesi, potrebno je više vremena za promatranje i analizu. Možda kozmološka teorija nije tako loša ideja? Na kraju se to može objasniti pod pretpostavkom da tamna energija ipak postoji. Očito je to slučaj i znanstvenici trebaju tražiti daljnja objašnjenja.

Što je bilo na početku?

Einsteinov izvorni kozmološki model bio je statički homogeni model sa sfernom geometrijom. Gravitacijski učinak materije uzrokovao je ubrzanje u ovoj strukturi, što Einstein nije mogao objasniti, jer u to vrijeme nije bilo poznato da se svemir širi. Stoga je znanstvenik uveo kozmološku konstantu u svoje jednadžbe opće relativnosti. Ova se konstanta primjenjuje kako bi se suprotstavila gravitacijskom privlačenju materije, pa je stoga opisana kao antigravitacijski učinak.

Omega Lambda

Umjesto same kozmološke konstante, istraživači često navode odnos između gustoće energije zbog nje i kritične gustoće svemira. Ta se vrijednost obično označava kao:. U ravnom svemiru, ACEAN odgovara djeliću gustoće njegove energije, što se također objašnjava kozmološkom konstantom.

Napominjemo da je ova definicija povezana s kritičnom gustoćom sadašnje epohe. Mijenja se tijekom vremena, ali gustoća energije zbog kozmološke konstante ostaje ista tijekom povijesti svemira.

Razmotrimo dalje kako moderni znanstvenici razvijaju ovu teoriju.

Kozmološki dokaz

Sadašnje proučavanje Ubrzavajućeg svemira sada je vrlo aktivno u tijeku, s mnogo različitih eksperimenata koji pokrivaju vrlo različite vremenske skale, skale duljine i fizičke procese. Stvoren je kozmološki model za ocean, u kojem je svemir ravan i ima sljedeće karakteristike:

• gustoća energije koja čini oko 4% barionske tvari;
• 23% tamne materije;
• 73% kozmološke konstante.

Kritični rezultat promatranja koji je kozmološku konstantu doveo do njezine suvremene važnosti bilo je otkriće da su daleke supernove tipa (0

Objasnimo detaljnije. Od posebne su važnosti u trenutnom kozmološkom konceptu zapažanja da su supernove s izuzetno visokim crvenim pomakom (Oceanside>1) svjetlije od očekivanog, što je potpis koji se očekuje od vremena usporavanja koje prethodi našem trenutnom razdoblju ubrzanja. Prije objavljivanja rezultata istraživanja supernove 1998. godine, već je postojalo nekoliko linija dokaza koji su otvorili put relativno brzom prihvaćanju teorije ubrzanja svemira pomoću Supernova. Konkretno, tri od njih:

1. Svemir je mlađi od najstarijih zvijezda. Njihova evolucija dobro je proučena, a njihova promatranja u globularnim nakupinama i drugdje pokazuju da su najstarije formacije stare više od 13 milijardi godina. To možemo usporediti sa starošću svemira mjerenjem njegove brzine širenja danas i praćenjem do vremena Velikog praska. Ako bi se svemir usporio na svoju trenutnu brzinu, tada bi starost bila manja nego da se ubrzao do trenutne stope. Ravni svemir koji se sastoji samo od materije bio bi star oko 9 milijardi godina - ozbiljan problem s obzirom na to da je nekoliko milijardi godina mlađi od najstarijih zvijezda. S druge strane, ravni svemir sa 74% kozmološke konstante bio bi star oko 13,7 milijardi godina. Dakle, opažanje da se trenutno ubrzava riješilo je paradoks povezan s dobi.
2. Previše udaljenih galaksija. Njihov se broj već široko koristio u pokušajima procjene usporavanja širenja svemira. Količina prostora između dva crvena pomaka razlikuje se ovisno o povijesti širenja (za zadani čvrsti kut). Koristeći broj galaksija između dva crvena pomaka kao mjeru volumena prostora, promatrači su utvrdili da se udaljeni objekti čine prevelikima u usporedbi s predviđanjima usporavanja svemira. Ili je sjaj galaksija ili njihov broj po jedinici volumena evoluirao tijekom vremena na neočekivane načine, ili su volumeni koje smo izračunali bili netočni. Ubrzavajuća materija mogla bi objasniti opažanja bez izazivanja bilo kakve čudne teorije evolucije galaksija.
3. Promatrana ravnost svemira (unatoč nepotpunim dokazima). Koristeći mjerenja temperaturnih fluktuacija u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju (Ocean), počevši od vremena kada je svemir bio star otprilike 380 000 godina, može se zaključiti da je prostorno ravan unutar nekoliko posto. Kombinirajući ove podatke s preciznim mjerenjem gustoće materije svemira, jasno je da ima samo oko 23% kritične gustoće. Jedan od načina da se objasni gustoća energije koja nedostaje je primjena kozmološke konstante. Kako se ispostavilo, određena količina je jednostavna potrebno za objašnjenja ubrzanja promatrana iz podataka supernove. To je bio samo faktor potreban da bi svemir bio ravan. Stoga je kozmološka konstanta riješila jasnu kontradikciju između opažanja gustoće materije i AUT-a.

U čemu je smisao?

Da biste odgovorili na pitanja koja se pojavljuju, razmotrite sljedeće. Pokušajmo objasniti fizičko značenje kozmološke konstante.

Uzmemo jednadžbu Oto-1917 i izvadimo metrički tenzor iz zagrada_ab. Dakle, unutar zagrada ostat će nam izraz (a / 2-a). Vrijednost Interneta predstavljena je bez indeksa-to je obična, skalarna zakrivljenost. Ako se objasni na prstima, to je recipročni broj polumjera kruga / kugle. Ravni prostor odgovara AIP = 0.

U ovom tumačenju, ne-nulta vrijednost za svemir znači da je naš svemir zakrivljen sam od sebe, uključujući u nedostatku bilo kakve gravitacije. Međutim, većina fizičara u to ne vjeruje i vjeruje da promatrana zakrivljenost mora imati neki unutarnji uzrok.

Tamna materija

Ovaj pojam se primjenjuje za hipotetičku materiju u svemiru. Cilj mu je objasniti mnoštvo problema standardnog kozmološkog modela Velikog praska. Astronomi nagađaju da se oko 25% svemira sastoji od tamne tvari (možda sastavljene od nestandardnih čestica poput Neutrina, aksiona ili masivnih čestica koje slabo djeluju [IAS]). A 70% svemira u njihovim modelima sastoji se od još nejasnije tamne energije, ostavljajući samo 5% na običnoj materiji.

Kreacionistička kozmologija

Einstein je 1915. riješio problem objavljivanja svoje teorije opće relativnosti. Pokazala je da je anomalna precesija posljedica načina na koji gravitacija iskrivljuje prostor i vrijeme i kontrolira kretanja planeta dok se posebno približavaju masivnim tijelima, gdje je zakrivljenost prostora najizraženija.

Njutnova gravitacija nije dovoljno točan opis kretanja planeta. Pogotovo kada zakrivljenost prostora odstupa od euklidske ravnosti. A opća relativnost objašnjava promatrano ponašanje gotovo točno. Dakle, ni tamna tvar, za koju su neki sugerirali da se nalazi u nevidljivom prstenu materije oko Sunca, niti sam planet Vulkan, nisu bili potrebni za objašnjenje anomalije.

Zaključci

U ranim vremenima kozmološka konstanta bila bi zanemariva. U kasnijim, gustoća materije bit će u biti nula, a svemir će biti prazan. Živimo u toj kratkoj kozmološkoj epohi u kojoj su i materija i vakuum usporedive veličine.

Čini se da unutar komponente materije postoje doprinosi i bariona i nebarionskog izvora, oba su usporediva (barem je njihov omjer neovisan o vremenu). Ova se teorija ljulja pod teretom svoje neprirodnosti, ali ipak prelazi ciljnu liniju mnogo prije konkurencije, tako dobro usklađena s podacima.

Osim što će potvrditi (ili opovrgnuti) ovaj scenarij, glavni izazov kozmologa i fizičara u godinama koje dolaze bit će shvatiti jesu li ti naizgled neugodni aspekti našeg svemira samo iznenađujuće slučajnosti ili zapravo odražavaju osnovnu strukturu koju još ne razumijemo.

Ako budemo imali sreće, sve što se sada čini neprirodnim poslužit će kao ključ za dublje razumijevanje temeljne fizike.