Космологічна постійна: поняття, визначення, формула розрахунку і проблеми

Космологічна постійна: поняття, визначення, формула розрахунку і проблеми

На початку 20 століття молодий вчений на ім 'я Альберт Ейнштейн розглядав властивості світла і маси і те, як вони пов' язані один з одним. Результатом його роздумів стала теорія відносності. Його роботи змінили сучасну фізику і астрономію так, як це відчувається досі. Кожен студент вивчає своє знамените рівняння E = MC2, щоб зрозуміти, як пов 'язана між собою маса та енергія. Це один з фундаментальних фактів існування космосу.

Що таке космологічна постійна?

Як би не були глибокі рівняння Ейнштейна для загальної теорії відносності, вони становили проблему. Він прагнув пояснити, як маса і світло існують у Всесвіті, як їх взаємодія може призвести до статичного (тобто не розширюється) Всесвіту. На жаль, його рівняння передбачали, що вона або стискається, або розширюється, і це буде відбуватися вічно, але, врешті-решт, досягне точки, коли почне скорочуватися.


Це не здавалося йому правильним, тому Ейнштейну потрібно було пояснити спосіб утримати гравітацію, щоб пояснити статичний всесвіт. Зрештою, більшість фізиків і астрономів його часу просто передбачало, що це так і є. Отже, Ейнштейн винайшов фактор Фаджа, званий "" космологічною постійною "", який надав рівнянням порядок і призвів до не розширюється і не стискається Всесвіту. Він придумав знак "" лямбда "" (грецька буква), що означає щільність енергії у вакуумі простору. Вона керує розширенням, а її нестача зупиняє цей процес. Тепер потрібен був фактор, щоб пояснити космологічну теорію.

Як обчислити?

Першу версію загальної теорії відносності (ОТГ) Альберт Ейнштейн представив публіці 25 листопада 1915 року. В оригіналі рівняння Ейнштейна виглядали ось так:

У сучасному світі космологічна постійна рівна:


Це рівняння описує теорію відносності. Також константу ще називають лямбда-член.

Галактики і всесвіт, що розширюється

Космологічна константа не виправила все так, як він очікував. Насправді, це спрацювало, але лише на деякий час. Проблема космологічної постійної не була вирішена.

Це тривало до тих пір, поки інший молодий вчений, Едвін Хаббл, не зробив глибоке спостереження змінних зірок в далеких галактиках. Їх мерехтіння показало відстані до цих космічних структур і багато іншого.

Робота Хаббла продемонструвала не тільки те, що Всесвіт включав в себе безліч інших галактик, але, як виявилося, вона розширювалася, і тепер ми знаємо, що швидкість цього процесу змінюється з плином часу. Це значною мірою зменшило космологічну константу Ейнштейна до нуля, і великому вченому довелося переглянути свої припущення. Дослідники не відмовилися від неї повністю. Однак пізніше Ейнштейн назвав додавання своєї постійної до загальної теорії відносності найбільшою помилкою у своєму житті. Але чи так це?

Нова космологічна константа

У 1998 році команда вчених, які працюють з космічним телескопом Хаббла, вивчаючи далекі наднові, помітила щось абсолютно несподіване: розширення Всесвіту прискорюється. Більше того, темпи процесу не такі, як вони очікували, і в минулому були іншими.


Враховуючи, що Всесвіт заповнений масою, здається логічним, що розширення має сповільнюватися, навіть якщо б воно було таким незначним. Таким чином, це відкриття, здавалося, суперечило тому, що передбачали рівняння і космологічна постійна Ейнштейна. Астрономи не розуміли, як пояснити очевидне прискорення розширення. Чому, як це відбувається?

Відповіді на запитання

Щоб пояснити прискорення і космологічні уявлення про це, вчені повернулися до ідеї первісної теорії.

Їхні останні припущення не виключають існування того, що називається темною енергією. Це те, що не можна побачити або відчути, але його наслідки можна виміряти. Це те ж саме, що і темна матерія: її вплив можна визначити по тому, як вона впливає на світло і видиму матерію.

Астрономи, можливо, ще не знають, що таке ця темна енергія. Однак вони знають, що вона впливає на розширення Всесвіту. Щоб зрозуміти ці процеси, необхідно більше часу на спостереження і аналіз. Може, космологічна теорія не така вже й погана ідея? Зрештою, її можна пояснити, якщо припустити, що темна енергія все-таки існує. Мабуть, це так і вченим потрібно шукати подальші пояснення.

Що було на початку?

Початкова космологічна модель Ейнштейна була статичною однорідною моделлю зі сферичною геометрією. Гравітаційний ефект матерії викликав прискорення в цій структурі, якого Ейнштейн не міг пояснити, оскільки в той час не було відомо, що Всесвіт розширюється. Тому вчений ввів космологічну постійну в свої рівняння загальної теорії відносності. Ця постійна застосовується, щоб протидіяти гравітаційному тяжінню матерії, і тому вона була описана як антигравітаційний ефект.


Омега Лямбда

Замість космологічної постійної дослідники часто посилаються на співвідношення між щільністю енергії, обумовленою нею, і критичною щільністю Всесвіту. Це значення зазвичай позначається так: ΩΛ. У плоскому Всесвіті ЛІД відповідає частці щільності її енергії, що також пояснюється космологічною постійною.

Зазначимо, що це визначення пов 'язане з критичною щільністю нинішньої епохи. Вона змінюється з плином часу, але щільність енергії, обумовлена космологічною постійною, залишається незмінною протягом всієї історії Всесвіту.

Розгляньмо далі, як розвивають цю теорію сучасні вчені.

Космологічний доказ

Нинішнє вивчення Всесвіту тепер дуже активно проводиться, з безліччю різних експериментів, що охоплюють зовсім різні часові шкали, масштаби довжини і фізичні процеси. Створена космологічна модель CDM, в якій Всесвіт плоский і має такі характеристики:

  • щільність енергії, що становить близько 4% баріонної матерії;
  • 23% темної матерії;
  • 73% космологічної постійної.

Критичним результатом спостережень, який привів космологічну константу до її сучасної значущості, стало відкриття, що далекі наднові типу Ia (0 < z < 1), що використовуються як стандартні свічки, були слабшими, ніж очікувалося в уповільненому Всесвіті. Відтоді багато груп підтвердили цей результат з великою кількістю наднових і ширшим діапазоном червоних зміщень.


Пояснимо детальніше. Особливе значення в сучасній космологічній концепції мають спостереження того, що наднові з надзвичайно високим червоним зміщенням (z > 1) яскравіші, ніж очікувалося, що є сигнатурою, яка очікується від часу уповільнення, що передує нашому поточному періоду прискорення. До виходу в 1998 році результатів дослідження наднових вже існувало кілька ліній доказів, які проклали шлях до відносно швидкого прийняття теорії прискорення Всесвіту за допомогою наднових. Зокрема, три з них:

  • Всесвіт виявився молодшим від найстаріших зірок. Еволюція їх добре вивчена, і спостереження їх у шарових скупченнях та інших місцях показують, що найстарішим утворенням понад 13 мільярдів років. Ми можемо порівняти це з віком Всесвіту, вимірюючи швидкість розширення його сьогодні і простежуючи до часу Великого вибуху. Якби Всесвіт сповільнився до своєї поточної швидкості, то вік був би меншим, ніж, якби він прискорився до нинішнього показника. Плоский Всесвіт, що складається тільки з матерії, матиме вік близько 9 млрд років - серйозна проблема, враховуючи, що він на кілька мільярдів років молодший від найстаріших зірок. З іншого боку, плоскому Всесвіту з 74% космологічного постійного було б близько 13,7 млрд років. Таким чином, спостереження, що вона в даний час прискорюється, вирішило віковий парадокс.
  • Занадто багато далеких галактик. Число їх вже широко використовувалося в спробах оцінити уповільнення розширення Всесвіту. Обсяг простору між двома червоними зміщеннями відрізняється залежно від історії розширення (заданого тілесного кута). Використовуючи число галактик між двома червоними зміщеннями в якості міри об 'єму простору, спостерігачі визначили, що віддалені об' єкти здаються занадто великими порівняно з передбаченнями сповільнюваного Всесвіту. Або світність галактик, або їх кількість на одиницю обсягу еволюціонували з часом несподіваним чином, або обсяги, які ми вираховували, були невірними. Матерія, яка прискорюється, могла б пояснити спостереження, не викликаючи ніякої дивної теорії еволюції галактик.
  • Спостерігається площина Всесвіту (незважаючи на неповні докази). Використовуючи вимірювання температурних флуктуацій в космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні (CMB), починаючи з того часу, коли Всесвіту було приблизно 380 000 років, можна зробити висновок, що він просторово-плоский в межах декількох відсотків. Шляхом поєднання цих даних з точним виміром щільності матерії Всесвіту стає ясно, що він має тільки близько 23% від критичної щільності. Один із способів пояснити відсутню щільність енергії - застосувати космологічну константу. Як виявилося, деяка кількість її просто необхідна для пояснення прискорення, що спостерігається за даними наднової. Це стало саме тим фактором, який потрібен, щоб зробити всесвіт плоским. Тому космологічна константа вирішила явне протиріччя між спостереженнями щільності матерії і CMB.

У чому ж полягає сенс?

Щоб відповісти на запитання, які виникають, розгляньмо наступне: Спробуємо пояснити фізичний сенс космологічної постійної.

Беремо рівняння ОТО-1917 і виносимо за дужки метричний тензор gab. Отже, всередині дужок у нас залишиться вираз (R/2 - ^). Значення R є звичайною, скалярною кривизною. Якщо пояснювати на пальцях - це число, зворотне радіусу кола/сфери. Плоскому простору відповідає R = 0.

У такому трактуванні ненульове значення, що означає, що наш всесвіт викривлений сам по собі, в тому числі і за відсутності будь-якої гравітації. Однак більшість фізиків в це не вірять і вважають, що у спостережуваного викривлення повинна бути якась внутрішня причина.

Темна матерія

Цей термін застосовується для гіпотетичної речовини у Всесвіті. Він покликаний пояснити масу проблем стандартної космологічної моделі Великого вибуху. Астрономи припускають, що близько 25% Всесвіту складається з темної матерії (можливо, зібраної з нестандартних частинок, таких як нейтрино, аксіони або масивні частинки [WIMPs], що слабо взаємодіють). А 70% Всесвіту в їхніх моделях складається з ще більш неясної темної енергії, залишаючи всього лише 5% на звичайну матерію.


Креаціоністська космологія

У 1915 році Ейнштейн вирішив проблему з публікацією своєї загальної теорії відносності. Вона показала, що аномальна прецесія є наслідком того, як гравітація спотворює простір і час і контролює рухи планет, коли вони особливо наближаються до масивних тіл, де кривизна простору найбільш виражена.

Ньютонівська гравітація не є досить точним описом руху планет. Особливо, коли кривизна простору відходить від Євклідової площини. А загальна теорія відносності пояснює спостережувану поведінку майже точно. Таким чином, ні темна матерія, яка, як деякі припускали, перебувала в невидимому кільці речовини навколо Сонця, ні сама планета Вулкан, не були необхідні для пояснення аномалії.

Висновки

У ранні часи космологічна константа була б нікчемною. У більш пізні щільність матерії буде по суті рівна нулю, а Всесвіт буде порожній. Ми живемо в ту коротку космологічну епоху, коли і матерія, і вакуум мають порівнянну величину.

У рамках компонента матерії, мабуть, є вклади і від баріонів, і від небаріонного джерела, обидва вони співставні (принаймні, їх співвідношення не залежить від часу). Ця теорія хитається під тягарем своєї неприродності, але, тим не менш, перетинає фінішну межу набагато раніше конкурентів, так добре вона узгоджена з даними.

Крім підтвердження (або спростування) цього сценарію, головне завдання космологів і фізиків в майбутні роки буде полягати в тому, щоб зрозуміти, чи є ці, мабуть, неприємні аспекти нашого Всесвіту просто дивовижними збігами або насправді відображають базову структуру, яку ми ще не розуміємо.

Якщо нам пощастить, то все, що здається зараз неприродним, послужить ключем до більш глибокого розуміння фундаментальної фізики.