XX amžiaus pradžioje jaunas mokslininkas Albertas Einšteinas nagrinėjo šviesos ir masės savybes ir jų tarpusavio ryšį. Jo apmąstymų rezultatas buvo reliatyvumo teorija. Jo darbai pakeitė šiuolaikinę fiziką ir astronomiją taip, kaip jaučiama ir šiandien. Kiekvienas studentas studijuoja savo garsiąją E=MC2 lygtį, kad suprastų, kaip masė ir energija yra susijusios. Tai vienas iš pagrindinių kosmoso egzistavimo faktų.
Kas yra kosmologinė konstanta?
Kad ir kokios gilios buvo Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lygtys, jos iškėlė problemą. Jis siekė paaiškinti, kaip visatoje egzistuoja masė ir šviesa, kaip jų sąveika gali sukelti statinę (tai yra nesiplečiančią) visatą. Deja, jo lygtys numatė, kad jis susitrauks arba išsiplės ir tęsis amžinai, bet galiausiai pasieks tašką, kai susitrauks.
Jam tai neatrodė teisinga, todėl Einšteinas turėjo paaiškinti, kaip išlaikyti gravitaciją,paaiškinti statinę visatą. Juk dauguma to meto fizikų ir astronomų tiesiog manė, kad taip yra. Taigi Einšteinas išrado Fudge faktorių, vadinamą „kosmologine konstanta“, kuris suteikė tvarką lygtims ir sukūrė visatą, kuri nei plečiasi, nei susitraukia. Jis sugalvojo ženklą „lambda“(graikų raidė), reiškiantį energijos tankį erdvės vakuume. Jis valdo plėtimąsi, o jo trūkumas sustabdo šį procesą. Dabar kosmologinei teorijai paaiškinti reikėjo veiksnio.
Kaip apskaičiuoti?
Albertas Einšteinas 1915 m. lapkričio 25 d. visuomenei pristatė pirmąją bendrosios reliatyvumo teorijos (GR) versiją. Pradinės Einšteino lygtys atrodė taip:
Šiuolaikiniame pasaulyje kosmologinė konstanta yra:
Ši lygtis apibūdina reliatyvumo teoriją. Be to, konstanta taip pat vadinama lambda nariu.
Galaktikos ir besiplečianti Visata
Kosmologinė konstanta nepataisė dalykų taip, kaip jis tikėjosi. Tiesą sakant, tai veikė, bet tik kurį laiką. Kosmologinės konstantos problema neišspręsta.
Tai tęsėsi tol, kol kitas jaunas mokslininkas Edvinas Hablas atliko gilų kintamų žvaigždžių stebėjimą tolimose galaktikose. Jų mirgėjimas atskleidė atstumus iki šių kosminių struktūrų ir dar daugiau.
Hablo darbas parodėVisata ne tik apėmė daugybę kitų galaktikų, bet, kaip paaiškėjo, ji plėtėsi, ir dabar žinome, kad šio proceso greitis laikui bėgant kinta. Tai iš esmės sumažino Einšteino kosmologinę konstantą iki nulio, ir didysis mokslininkas turėjo peržiūrėti savo prielaidas. Tyrėjai jo visiškai neatsisakė. Tačiau vėliau Einšteinas savo konstantos įtraukimą į bendrąjį reliatyvumą pavadino didžiausia savo gyvenimo klaida. Bet ar taip?
Nauja kosmologinė konstanta
1998 m. mokslininkų komanda, dirbanti su Hablo kosminiu teleskopu ir tyrinėjusi tolimas supernovas, pastebėjo kažką visiškai netikėto: visatos plėtimasis vis spartėja. Be to, proceso tempas nėra toks, kokio jie tikėjosi ir buvo praeityje.
Atsižvelgiant į tai, kad visata užpildyta mase, atrodo logiška, kad plėtimasis turėtų sulėtėti, net jei jis būtų toks mažas. Taigi šis atradimas atrodė prieštaraujantis tam, ką numatė lygtys ir Einšteino kosmologinė konstanta. Astronomai nesuprato, kaip paaiškinti akivaizdų plėtimosi pagreitį. Kodėl, kaip tai vyksta?
Atsakymai į klausimus
Norėdami paaiškinti pagreitį ir kosmologines sąvokas apie jį, mokslininkai grįžo prie pradinės teorijos idėjos.
Jų naujausios spėlionės neatmeta, kad egzistuoja kažkas, vadinama tamsiąja energija. Tai kažkas, ko negalima pamatyti ar pajausti, bet jo poveikį galima išmatuoti. Tai tas pats, kas tamsusmaterija: jos poveikį galima nustatyti pagal tai, kaip ji veikia šviesą ir matomą medžiagą.
Astronomai gali dar nežinoti, kas yra ši tamsioji energija. Tačiau jie žino, kad tai turi įtakos visatos plėtimuisi. Norint suprasti šiuos procesus, stebėjimui ir analizei reikia daugiau laiko. Gal vis dėlto kosmologinė teorija nėra tokia bloga mintis? Galų gale, tai galima paaiškinti darant prielaidą, kad tamsioji energija tikrai egzistuoja. Matyt, tai tiesa ir mokslininkams reikia ieškoti papildomų paaiškinimų.
Kas nutiko pradžioje?
Pirminis Einšteino kosmologinis modelis buvo statinis vienalytis modelis su sferine geometrija. Gravitacinis materijos poveikis sukėlė šios struktūros pagreitį, kurio Einšteinas negalėjo paaiškinti, nes tuo metu nebuvo žinoma, kad visata plečiasi. Todėl mokslininkas į savo bendrosios reliatyvumo lygtis įtraukė kosmologinę konstantą. Ši konstanta taikoma siekiant neutralizuoti gravitacinį materijos trauką, todėl ji buvo apibūdinta kaip antigravitacijos efektas.
Omega Lambda
Vietoj pačios kosmologinės konstantos tyrėjai dažnai nurodo ryšį tarp jos sukeliamo energijos tankio ir kritinio visatos tankio. Ši reikšmė paprastai žymima taip: ΩΛ. Plokščioje visatoje ΩΛ atitinka jos energijos tankio dalį, kuri taip pat paaiškinama kosmologine konstanta.
Atkreipkite dėmesį, kad šis apibrėžimas yra susijęs su dabartinės epochos kritiniu tankiu. Laikui bėgant jis keičiasi, bet tankisenergija dėl kosmologinės konstantos išlieka nepakitusi per visą visatos istoriją.
Panagrinėkime toliau, kaip šiuolaikiniai mokslininkai plėtoja šią teoriją.
Kosmologinis įrodymas
Dabartinis greitėjančios visatos tyrimas dabar yra labai aktyvus, atliekama daug įvairių eksperimentų, apimančių labai skirtingas laiko skales, ilgio skales ir fizinius procesus. Sukurtas kosmologinis CDM modelis, kuriame Visata yra plokščia ir turi šias charakteristikas:
- energijos tankis, kuris sudaro apie 4 % barioninės medžiagos;
- 23% tamsiosios medžiagos;
- 73 % kosmologinės konstantos.
Kritinis stebėjimo rezultatas, dėl kurio kosmologinė konstanta tapo iki dabartinės reikšmės, buvo atradimas, kad tolimosios Ia tipo (0<z<1) supernovos, naudojamos kaip standartinės žvakės, buvo silpnesnės, nei tikėtasi lėtėjančioje visatoje. Nuo tada daugelis grupių patvirtino šį rezultatą su daugiau supernovų ir įvairesnių raudonųjų poslinkių.
Paaiškinkime išsamiau. Šiuolaikiniame kosmologiniame mąstyme ypač svarbūs yra pastebėjimai, kad itin didelio raudonojo poslinkio (z>1) supernovos yra ryškesnės nei tikėtasi, o tai yra ženklas, kurio tikimasi nuo lėtėjimo laiko iki dabartinio pagreičio laikotarpio. Prieš paskelbiant supernovos rezultatus 1998 m., jau buvo keletas įrodymų, kurie atvėrė kelią gana greitai. Visatos pagreičio supernovų pagalba teorijos priėmimas. Visų pirma, trys iš jų:
- Visata pasirodė jaunesnė už seniausias žvaigždes. Jų evoliucija buvo gerai ištirta, o jų stebėjimai rutuliniuose klasteriuose ir kitur rodo, kad seniausioms dariniams yra daugiau nei 13 milijardų metų. Tai galime palyginti su visatos amžiumi, išmatuodami jos plėtimosi greitį šiandien ir atsekdami Didžiojo sprogimo laiką. Jei Visata sulėtėtų iki dabartinio greičio, amžius būtų mažesnis nei įsibėgėjus iki dabartinio greičio. Plokščia, tik materija turinti visata būtų maždaug 9 milijardų metų senumo, o tai didelė problema, turint omenyje, kad ji keliais milijardais metų jaunesnė už seniausias žvaigždes. Kita vertus, plokščia visata, turinti 74% kosmologinės konstantos, būtų maždaug 13,7 milijardo metų senumo. Taigi pamačius, kad ji šiuo metu įsibėgėja, išsprendė amžiaus paradoksą.
- Per daug tolimų galaktikų. Jų skaičius jau buvo plačiai naudojamas bandant įvertinti Visatos plėtimosi lėtėjimą. Tarpas tarp dviejų raudonųjų poslinkių skiriasi priklausomai nuo plėtimosi istorijos (tam tikram kieto kampui). Naudodami galaktikų skaičių tarp dviejų raudonųjų poslinkių kaip erdvės tūrio matą, stebėtojai nustatė, kad toli esantys objektai atrodo per dideli, palyginti su lėtėjančios visatos prognozėmis. Arba galaktikų šviesumas arba jų skaičius tūrio vienete laikui bėgant keitėsi netikėtai, arba mūsų apskaičiuoti tūriai buvo neteisingi. Įsibėgėjantis reikalas galėtųpaaiškintų stebėjimus nesukeldamas jokios keistos galaktikų evoliucijos teorijos.
- Pastebimas Visatos lygumas (nepaisant neišsamių įrodymų). Naudojant temperatūros svyravimų kosminiame mikrobangų fone (KMB) matavimus, nuo tų laikų, kai Visatai buvo apie 380 000 metų, galima daryti išvadą, kad ji erdviškai plokščia iki kelių procentų. Sujungus šiuos duomenis su tiksliu medžiagos tankio Visatoje matavimu, tampa aišku, kad ji turi tik apie 23% kritinio tankio. Vienas iš būdų paaiškinti trūkstamą energijos tankį yra taikyti kosmologinę konstantą. Kaip paaiškėjo, tam tikras jo kiekis tiesiog būtinas norint paaiškinti supernovos duomenyse pastebėtą pagreitį. Tai buvo tik veiksnys, reikalingas, kad visata būtų plokščia. Todėl kosmologinė konstanta išsprendė akivaizdų prieštaravimą tarp medžiagos tankio stebėjimų ir CMB.
Kokia prasmė?
Norėdami atsakyti į kylančius klausimus, apsvarstykite šiuos dalykus. Pabandykime paaiškinti fizinę kosmologinės konstantos reikšmę.
Paimame GR lygtį-1917 ir metrinį tenzorių gab ištraukiame iš skliaustų. Todėl skliausteliuose turėsime išraišką (R / 2 - Λ). R reikšmė pavaizduota be indeksų – tai įprastas skaliarinis kreivumas. Jei paaiškinsite pirštais - tai yra apskritimo / sferos spindulio atvirkštinė vertė. Plokščias plotas atitinka R=0.
Šiuo aiškinimu, nulinė Λ reikšmė reiškia, kad mūsų Visata yra išlenktasavaime, įskaitant ir nesant jokios gravitacijos. Tačiau dauguma fizikų tuo netiki ir mano, kad pastebėtas kreivumas turi turėti tam tikrą vidinę priežastį.
Tamsioji materija
Šis terminas vartojamas hipotetinei medžiagai visatoje apibūdinti. Jis skirtas paaiškinti daugybę problemų, susijusių su standartiniu Didžiojo sprogimo kosmologiniu modeliu. Astronomai apskaičiavo, kad apie 25% visatos sudaro tamsioji medžiaga (galbūt sudaryta iš nestandartinių dalelių, tokių kaip neutrinai, aksionai arba silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės [WIMP]). O jų modeliuose 70 % Visatos sudaro dar labiau neaiški tamsioji energija, todėl įprastai medžiagai lieka tik 5 %.
Kreacionistinė kosmologija
1915 m. Einšteinas išsprendė savo bendrosios reliatyvumo teorijos paskelbimo problemą. Ji parodė, kad anomali precesija yra pasekmė to, kaip gravitacija iškreipia erdvę ir laiką bei kontroliuoja planetų judėjimą, kai jos yra ypač arti masyvių kūnų, kur erdvės kreivumas yra ryškiausias.
Niutono gravitacija nėra labai tikslus planetų judėjimo aprašymas. Ypač kai erdvės kreivumas tolsta nuo euklido plokštumo. O bendroji reliatyvumo teorija beveik tiksliai paaiškina pastebėtą elgesį. Taigi, norint paaiškinti anomaliją, neprireikė nei tamsiosios medžiagos, kuri, kai kurių nuomone, buvo nematomame medžiagos žiede aplink Saulę, nei pačios Vulkano planetos.
Išvados
Pradžiomis dienomiskosmologinė konstanta būtų nereikšminga. Vėlesniais laikais materijos tankis iš esmės bus lygus nuliui, o visata bus tuščia. Mes gyvename toje trumpoje kosmologinėje epochoje, kai materija ir vakuumas yra panašaus dydžio.
Materijos komponente, matyt, yra tiek barionų, tiek nebarioninių š altinių, abu jie yra palyginami (bent jau jų santykis nepriklauso nuo laiko). Ši teorija kliba dėl savo nenatūralumo svorio, bet vis tiek kerta finišo liniją gerokai prieš konkurentus, todėl ji puikiai dera su duomenimis.
Nr. dar nesuprantu.
Jei mums pasiseks, viskas, kas dabar atrodo nenatūralu, bus raktas į gilesnį fundamentalios fizikos supratimą.
