Në fillim të shekullit të 20-të, një shkencëtar i ri i quajtur Albert Einstein shikoi vetitë e dritës dhe masës dhe se si ato lidhen me njëra-tjetrën. Rezultati i reflektimeve të tij ishte teoria e relativitetit. Puna e tij ndryshoi fizikën dhe astronominë moderne në një mënyrë që ndihet ende sot. Secili student studion ekuacionin e tij të famshëm E=MC2 për të kuptuar se si masa dhe energjia janë të lidhura. Ky është një nga faktet themelore të ekzistencës së kozmosit.
Cila është konstanta kozmologjike?
Sado të thella që ishin ekuacionet e Ajnshtajnit për relativitetin e përgjithshëm, ato paraqisnin një problem. Ai u përpoq të shpjegonte se si masa dhe drita ekzistojnë në univers, se si ndërveprimi i tyre mund të çojë në një univers statik (që do të thotë, jo në zgjerim). Fatkeqësisht, ekuacionet e tij parashikuan se ai ose do të tkurej ose do të zgjerohej, dhe do të vazhdonte ta bënte këtë përgjithmonë, por përfundimisht do të arrinte një pikë ku do të tkurej.
Nuk i dukej mirë, kështu që Ajnshtajni duhej të shpjegonte një mënyrë për të mbajtur gravitetin,për të shpjeguar universin statik. Në fund të fundit, shumica e fizikanëve dhe astronomëve të kohës së tij thjesht supozuan se ky ishte rasti. Pra, Ajnshtajni shpiku faktorin Fudge, të quajtur "konstanta kozmologjike", e cila u dha rregull ekuacioneve dhe rezultoi në një univers që as zgjerohet dhe as tkurret. Ai doli me shenjën "lambda" (gërma greke), që tregon densitetin e energjisë në vakum të hapësirës. Ai kontrollon zgjerimin dhe mungesa e tij e ndalon këtë proces. Tani nevojitej një faktor për të shpjeguar teorinë kozmologjike.
Si të llogarisni?
Albert Einstein prezantoi versionin e parë të teorisë së përgjithshme të relativitetit (GR) për publikun më 25 nëntor 1915. Ekuacionet origjinale të Ajnshtajnit dukeshin kështu:
Në botën moderne, konstanta kozmologjike është:
Ky ekuacion përshkruan teorinë e relativitetit. Gjithashtu, një konstante quhet gjithashtu një anëtar lambda.
Galaktikat dhe Universi në zgjerim
Konstanta kozmologjike nuk i rregulloi gjërat ashtu siç priste ai. Në fakt, funksionoi, por vetëm për një kohë. Problemi i konstantës kozmologjike nuk është zgjidhur.
Kjo vazhdoi derisa një tjetër shkencëtar i ri, Edwin Hubble, bëri një vëzhgim të thellë të yjeve të ndryshueshëm në galaktikat e largëta. Dridhja e tyre zbuloi distancat me këto struktura kozmike dhe më shumë.
puna e Hubble ka treguarjo vetëm që universi përfshinte shumë galaktika të tjera, por siç doli, ai po zgjerohej, dhe tani ne e dimë se shpejtësia e këtij procesi ndryshon me kalimin e kohës. Kjo reduktoi kryesisht konstantën kozmologjike të Ajnshtajnit në zero, dhe shkencëtari i madh duhej të rishikonte supozimet e tij. Studiuesit nuk e kanë braktisur plotësisht atë. Megjithatë, Ajnshtajni më vonë e quajti shtimin e konstantës së tij në relativitetin e përgjithshëm gabimin më të madh të jetës së tij. Por a është ajo?
Konstanta e re kozmologjike
Në vitin 1998, një ekip shkencëtarësh që punonin me Teleskopin Hapësinor Hubble, duke studiuar supernova të largëta, vunë re diçka krejtësisht të papritur: zgjerimi i universit po përshpejtohet. Për më tepër, ritmi i procesit nuk është ai që prisnin dhe ka qenë në të kaluarën.
Duke pasur parasysh se universi është i mbushur me masë, duket logjike që zgjerimi duhet të ngadalësohet, edhe nëse do të ishte kaq i vogël. Kështu, ky zbulim dukej se ishte në kundërshtim me atë që parashikuan ekuacionet dhe konstanta kozmologjike e Ajnshtajnit. Astronomët nuk e kuptuan se si të shpjegonin përshpejtimin e dukshëm të zgjerimit. Pse, si po ndodh kjo?
Përgjigje pyetjeve
Për të shpjeguar nxitimin dhe nocionet kozmologjike rreth tij, shkencëtarët i janë kthyer idesë së teorisë origjinale.
Spekulimet e tyre të fundit nuk përjashtojnë ekzistencën e diçkaje të quajtur energji e errët. Është diçka që nuk mund të shihet apo ndjehet, por efektet e saj mund të maten. Është njësoj si errësiramateria: efekti i saj mund të përcaktohet nga mënyra se si ndikon në dritën dhe lëndën e dukshme.
Astronomët mund të mos e dinë ende se çfarë është kjo energji e errët. Megjithatë, ata e dinë se kjo ndikon në zgjerimin e universit. Për të kuptuar këto procese, nevojitet më shumë kohë për vëzhgim dhe analizë. Ndoshta teoria kozmologjike nuk është një ide aq e keqe në fund të fundit? Në fund të fundit, mund të shpjegohet duke supozuar se energjia e errët ekziston. Me sa duket, kjo është e vërtetë dhe shkencëtarët duhet të kërkojnë shpjegime të mëtejshme.
Çfarë ndodhi në fillim?
Modeli origjinal kozmologjik i Ajnshtajnit ishte një model statik homogjen me një gjeometri sferike. Efekti gravitacional i materies shkaktoi një përshpejtim në këtë strukturë, të cilën Ajnshtajni nuk mund ta shpjegonte, pasi në atë kohë nuk dihej që universi po zgjerohej. Prandaj, shkencëtari futi konstanten kozmologjike në ekuacionet e tij të relativitetit të përgjithshëm. Kjo konstante zbatohet për të kundërshtuar tërheqjen gravitacionale të materies, dhe kështu është përshkruar si efekti anti-gravitetit.
Omega Lambda
Në vend të vetë konstantës kozmologjike, studiuesit shpesh i referohen marrëdhënies midis densitetit të energjisë për shkak të saj dhe densitetit kritik të universit. Kjo vlerë zakonisht shënohet si më poshtë: ΩΛ. Në një univers të sheshtë, ΩΛ korrespondon me një pjesë të densitetit të saj të energjisë, e cila shpjegohet gjithashtu nga konstanta kozmologjike.
Vini re se ky përkufizim lidhet me densitetin kritik të epokës aktuale. Ndryshon me kalimin e kohës, por dendësiaenergjia, për shkak të konstantës kozmologjike, mbetet e pandryshuar gjatë gjithë historisë së universit.
Le të shqyrtojmë më tej se si shkencëtarët modernë e zhvillojnë këtë teori.
prova kozmologjike
Studimi aktual i universit përshpejtues është tani shumë aktiv, me shumë eksperimente të ndryshme që mbulojnë shkallë shumë të ndryshme kohore, shkallë gjatësie dhe procese fizike. Është krijuar një model kozmologjik CDM, në të cilin Universi është i sheshtë dhe ka këto karakteristika:
- dendësia e energjisë, e cila është rreth 4% e lëndës barionike;
- 23% lëndë e errët;
- 73% e konstantës kozmologjike.
Rezultati kritik i vëzhgimit që solli konstantën kozmologjike në rëndësinë e saj aktuale ishte zbulimi se supernova e largët e tipit Ia (0<z<1) të përdorura si qirinj standardë ishin më të dobëta se sa pritej në një univers të ngadalësuar. Që atëherë, shumë grupe e kanë konfirmuar këtë rezultat me më shumë supernova dhe një gamë më të gjerë zhvendosjesh të kuqe.
Le të shpjegojmë më në detaje. Me rëndësi të veçantë në të menduarit aktual kozmologjik janë vëzhgimet se supernova me zhvendosje jashtëzakonisht të lartë të kuqe (z>1) janë më të ndritshme se sa pritej, që është një nënshkrim që pritet nga koha e ngadalësimit që çon në periudhën tonë të përshpejtimit aktual. Para publikimit të rezultateve të supernovës në vitin 1998, tashmë kishte disa linja provash që hapnin rrugën për një shpejtësi relativisht të shpejtë.pranimi i teorisë së nxitimit të Universit me ndihmën e supernovave. Në veçanti, tre prej tyre:
- Universi doli të ishte më i ri se yjet më të vjetër. Evolucioni i tyre është studiuar mirë dhe vëzhgimet e tyre në grupime globulare dhe gjetkë tregojnë se formacionet më të vjetra janë mbi 13 miliardë vjet të vjetra. Ne mund ta krahasojmë këtë me moshën e universit duke matur shkallën e tij të zgjerimit sot dhe duke u gjurmuar në kohën e Big Bengut. Nëse universi do të ngadalësohej në shpejtësinë e tij aktuale, atëherë mosha do të ishte më e vogël se nëse do të përshpejtohej në shpejtësinë e saj aktuale. Një univers i sheshtë, vetëm me materie do të ishte rreth 9 miliardë vjet i vjetër, një problem i madh duke pasur parasysh se është disa miliardë vjet më i ri se yjet më të vjetër. Nga ana tjetër, një univers i sheshtë me 74% të konstantës kozmologjike do të ishte rreth 13.7 miliardë vjet i vjetër. Pra, duke parë që ajo aktualisht po përshpejton zgjidhi paradoksin e moshës.
- Shumë galaktika të largëta. Numri i tyre tashmë është përdorur gjerësisht në përpjekjet për të vlerësuar ngadalësimin e zgjerimit të Universit. Sasia e hapësirës ndërmjet dy zhvendosjeve të kuqe ndryshon në varësi të historisë së zgjerimit (për një kënd të caktuar të ngurtë). Duke përdorur numrin e galaktikave midis dy zhvendosjeve të kuqe si masë të vëllimit të hapësirës, vëzhguesit kanë përcaktuar se objektet e largëta duken shumë të mëdha në krahasim me parashikimet e një universi të ngadalshëm. Ose shkëlqimi i galaktikave ose numri i tyre për njësi vëllimi evoluan me kalimin e kohës në mënyra të papritura, ose vëllimet që ne llogaritëm ishin të gabuara. Çështja përshpejtuese munddo të shpjegonte vëzhgimet pa nxitur ndonjë teori të çuditshme të evolucionit të galaktikës.
- Shpatësia e vëzhgueshme e universit (pavarësisht provave jo të plota). Duke përdorur matjet e luhatjeve të temperaturës në sfondin kozmik të mikrovalës (CMB), që nga koha kur universi ishte rreth 380,000 vjet i vjetër, mund të konkludohet se ai është i sheshtë hapësinor deri në disa përqind. Duke i kombinuar këto të dhëna me një matje të saktë të densitetit të materies në univers, bëhet e qartë se ajo ka vetëm rreth 23% të densitetit kritik. Një mënyrë për të shpjeguar densitetin e munguar të energjisë është aplikimi i konstantës kozmologjike. Siç doli, një sasi e caktuar është thjesht e nevojshme për të shpjeguar nxitimin e vërejtur në të dhënat e supernovës. Ky ishte vetëm faktori i nevojshëm për ta bërë universin të sheshtë. Prandaj, konstanta kozmologjike zgjidhi kontradiktën e dukshme midis vëzhgimeve të densitetit të materies dhe CMB.
Cili është thelbi?
Për t'iu përgjigjur pyetjeve që lindin, merrni parasysh sa vijon. Le të përpiqemi të shpjegojmë kuptimin fizik të konstantës kozmologjike.
Marrim ekuacionin GR-1917 dhe vendosim tensorin metrik gab jashtë kllapave. Prandaj, brenda kllapave do të kemi shprehjen (R / 2 - Λ). Vlera e R përfaqësohet pa indekse - kjo është lakimi i zakonshëm, skalar. Nëse shpjegoni në gishta - kjo është reciproke e rrezes së rrethit / sferës. Hapësira e sheshtë korrespondon me R=0.
Në këtë interpretim, një vlerë jo zero e Λ do të thotë që universi ynë është i lakuarnë vetvete, duke përfshirë mungesën e ndonjë graviteti. Megjithatë, shumica e fizikanëve nuk e besojnë këtë dhe besojnë se lakimi i vëzhguar duhet të ketë ndonjë shkak të brendshëm.
Materie e errët
Ky term përdoret për lëndën hipotetike në univers. Ai është krijuar për të shpjeguar shumë probleme me modelin standard kozmologjik Big Bang. Astronomët vlerësojnë se rreth 25% e universit përbëhet nga materia e errët (ndoshta e mbledhur nga grimca jo standarde si neutrinot, aksione ose grimcat masive me ndërveprim të dobët [WIMP]). Dhe 70% e Universit në modelet e tyre përbëhet nga energjia e errët edhe më e errët, duke lënë vetëm 5% për lëndën e zakonshme.
Kozmologjia Krijuese
Në vitin 1915, Ajnshtajni zgjidhi problemin e botimit të teorisë së tij të përgjithshme të relativitetit. Ajo tregoi se precesioni anormal është pasojë e mënyrës se si graviteti shtrembëron hapësirën dhe kohën dhe kontrollon lëvizjet e planetëve kur ata janë veçanërisht afër trupave masivë, ku lakimi i hapësirës është më i theksuar.
Graviteti njutonian nuk është një përshkrim shumë i saktë i lëvizjes planetare. Sidomos kur lakimi i hapësirës largohet nga rrafshësia Euklidiane. Dhe relativiteti i përgjithshëm shpjegon sjelljen e vëzhguar pothuajse saktësisht. Kështu, as materia e errët, për të cilën disa kanë sugjeruar se ishte në një unazë të padukshme të materies rreth Diellit, as vetë planeti Vulkan, nuk ishin të nevojshme për të shpjeguar anomalinë.
Përfundime
Në ditët e parakonstanta kozmologjike do të ishte e papërfillshme. Në kohët e mëvonshme, dendësia e materies do të jetë në thelb zero, dhe universi do të jetë bosh. Ne jetojmë në atë epokë të shkurtër kozmologjike kur materia dhe vakuumi janë të përmasave të krahasueshme.
Brenda përbërësit të lëndës, me sa duket, ka kontribute si nga barionet ashtu edhe nga një burim jo-barion, të dyja janë të krahasueshme (të paktën, raporti i tyre nuk varet nga koha). Kjo teori lëkundet nën peshën e panatyrshmërisë së saj, por megjithatë kalon vijën e finishit përpara konkurrencës, kështu që përshtatet mirë me të dhënat.
Përveç konfirmimit (apo hedhjes poshtë) të këtij skenari, sfida kryesore për kozmologët dhe fizikantët në vitet e ardhshme do të jetë të kuptojnë nëse këto aspekte në dukje të pakëndshme të universit tonë janë thjesht rastësi të mahnitshme apo në fakt pasqyrojnë strukturën bazë që ne nuk e kuptoj ende.
Nëse jemi me fat, gjithçka që duket e panatyrshme tani do të shërbejë si një çelës për një kuptim më të thellë të fizikës themelore.
