В началото на 20-ти век млад учен на име Алберт Айнщайн разглежда свойствата на светлината и масата и как те се свързват един с друг. Резултатът от неговите разсъждения е теорията на относителността. Работата му промени съвременната физика и астрономия по начин, който се усеща и днес. Всеки ученик изучава своето известно E=MC2 уравнение, за да разбере как са свързани масата и енергията. Това е един от фундаменталните факти за съществуването на космоса.
Каква е космологичната константа?
Колкото и дълбоки да бяха уравненията на Айнщайн за общата теория на относителността, те представляваха проблем. Той се опита да обясни как масата и светлината съществуват във Вселената, как тяхното взаимодействие може да доведе до статична (тоест, не разширяваща се) вселена. За съжаление, неговите уравнения предсказваха, че тя или ще се свие, или ще се разшири, и ще продължи да го прави завинаги, но в крайна сметка ще достигне точка, в която ще се свие.
Не му се струваше правилно, така че Айнщайн трябваше да обясни начин за задържане на гравитацията,да обясни статичната вселена. В крайна сметка повечето физици и астрономи от неговото време просто предполагаха, че това е така. Така Айнщайн изобретява фактора Фъдж, наречен „космологична константа“, който дава ред на уравненията и води до Вселена, която нито се разширява, нито се свива. Той излезе със знака "ламбда" (гръцка буква), обозначаващ плътността на енергията във вакуума на космоса. Той контролира разширяването и липсата му спира този процес. Сега беше необходим фактор за обяснение на космологичната теория.
Как да изчислим?
Алберт Айнщайн представи първата версия на общата теория на относителността (GR) на обществеността на 25 ноември 1915 г. Оригиналните уравнения на Айнщайн изглеждаха така:
В съвременния свят космологичната константа е:
Това уравнение описва теорията на относителността. Също така, константа се нарича още ламбда член.
Галактики и разширяваща се Вселена
Космологичната константа не оправи нещата по начина, по който той очакваше. Всъщност работеше, но само за известно време. Проблемът с космологичната константа не е решен.
Това продължи, докато друг млад учен, Едуин Хъбъл, направи дълбоко наблюдение на променливи звезди в далечни галактики. Тяхното трептене разкри разстоянията до тези космически структури и още.
Работата на Хъбъл демонстриране само, че Вселената включва много други галактики, но както се оказа, тя се разширява и сега знаем, че скоростта на този процес се променя с времето. Това до голяма степен намали космологичната константа на Айнщайн до нула и великият учен трябваше да преразгледа предположенията си. Изследователите не са го изоставили напълно. По-късно обаче Айнщайн нарече добавянето на неговата константа към общата теория на относителността най-голямата грешка в живота си. Но дали е?
Нова космологична константа
През 1998 г. екип от учени, работещи с космическия телескоп Хъбъл, изучавайки далечни свръхнови, забелязали нещо напълно неочаквано: разширяването на Вселената се ускорява. Освен това темпът на процеса не е това, което са очаквали и е било в миналото.
Като се има предвид, че Вселената е пълна с маса, изглежда логично разширяването да се забави, дори и да е толкова малко. По този начин това откритие изглежда противоречи на това, което предсказват уравненията и космологичната константа на Айнщайн. Астрономите не разбраха как да обяснят очевидното ускорение на разширяването. Защо, как става това?
Отговори на въпроси
За да обяснят ускорението и космологичните представи за него, учените се върнаха към идеята за оригиналната теория.
Последната им спекулация не изключва съществуването на нещо, наречено тъмна енергия. Това е нещо, което не може да се види или усети, но ефектите му могат да бъдат измерени. Същото е като тъмнотоматерия: нейният ефект може да се определи от това как влияе върху светлината и видимата материя.
Астрономите все още може да не знаят каква е тази тъмна енергия. Те обаче знаят, че това се отразява на разширяването на Вселената. За да се разберат тези процеси, е необходимо повече време за наблюдение и анализ. Може би все пак космологичната теория не е толкова лоша идея? В крайна сметка това може да се обясни, като се предположи, че тъмната енергия наистина съществува. Очевидно това е вярно и учените трябва да търсят допълнителни обяснения.
Какво се случи в началото?
Оригиналният космологичен модел на Айнщайн е статичен хомогенен модел със сферична геометрия. Гравитационният ефект на материята предизвиква ускорение в тази структура, което Айнщайн не може да обясни, тъй като по това време не се знае, че Вселената се разширява. Следователно ученият въвежда космологичната константа в своите уравнения на общата теория на относителността. Тази константа се прилага за противодействие на гравитационното привличане на материята и затова е описана като антигравитационен ефект.
Omega Lambda
Вместо самата космологична константа, изследователите често се позовават на връзката между дължащата се на нея енергийна плътност и критичната плътност на Вселената. Тази стойност обикновено се обозначава, както следва: ΩΛ. В плоската вселена ΩΛ съответства на част от нейната енергийна плътност, което също се обяснява с космологичната константа.
Забележете, че тази дефиниция е свързана с критичната плътност на текущата епоха. С течение на времето се променя, но плътносттаенергията, поради космологичната константа, остава непроменена през цялата история на Вселената.
Нека разгледаме по-нататък как съвременните учени развиват тази теория.
Космологично доказателство
Настоящото изследване на ускоряващата се Вселена вече е много активно, с много различни експерименти, обхващащи значително различни времеви скали, скали на дължина и физически процеси. Създаден е космологичен CDM модел, в който Вселената е плоска и има следните характеристики:
- енергийна плътност, която е около 4% от барионната материя;
- 23% тъмна материя;
- 73% от космологичната константа.
Критичният резултат от наблюдение, който доведе космологичната константа до сегашното й значение, беше откритието, че далечни супернови от тип Ia (0<z<1), използвани като стандартни свещи, са по-слаби от очакваното в забавяща се вселена. Оттогава много групи потвърдиха този резултат с повече свръхнови и по-широк спектър от червени отмествания.
Нека обясним по-подробно. От особено значение в настоящото космологично мислене са наблюденията, че свръхновите с изключително голямо червено изместване (z>1) са по-ярки от очакваното, което е подпис, който се очаква от времето на забавяне, водещо до настоящия ни период на ускорение. Преди пускането на резултатите от свръхнова през 1998 г., вече имаше няколко реда доказателства, които проправиха пътя за относително бързоприемане на теорията за ускорението на Вселената с помощта на свръхнови. По-специално, три от тях:
- Вселената се оказа по-млада от най-старите звезди. Тяхната еволюция е добре проучена и наблюденията им в кълбовидни купове и на други места показват, че най-старите образувания са на възраст над 13 милиарда години. Можем да сравним това с възрастта на Вселената, като измерим скоростта на нейното разширяване днес и проследим до времето на Големия взрив. Ако Вселената се забави до сегашната си скорост, тогава възрастта ще бъде по-малка, отколкото ако се ускори до сегашната си скорост. Плоска вселена само с материя би била на около 9 милиарда години, сериозен проблем, като се има предвид, че е няколко милиарда години по-млада от най-старите звезди. От друга страна, плоска вселена със 74% от космологичната константа би била на около 13,7 милиарда години. Така че виждането, че тя в момента ускорява, разреши възрастовия парадокс.
- Твърде много далечни галактики. Техният брой вече е широко използван в опитите да се оцени забавянето на разширяването на Вселената. Размерът на пространството между две червени отмествания се различава в зависимост от историята на разширението (за даден плътен ъгъл). Използвайки броя на галактиките между две червени измествания като мярка за обема на пространството, наблюдателите са установили, че отдалечените обекти изглеждат твърде големи в сравнение с прогнозите за забавяне на Вселената. Или осветеността на галактиките, или техният брой на единица обем се еволюирала с течение на времето по неочакван начин, или обемите, които изчислихме, бяха грешни. Ускоряващата се материя можеби обяснил наблюденията, без да задейства някаква странна теория за еволюцията на галактиките.
- Наблюдаваната плоскост на Вселената (въпреки непълните доказателства). Използвайки измервания на температурните флуктуации в космическия микровълнов фон (CMB), от времето, когато Вселената е била на около 380 000 години, може да се заключи, че тя е пространствено плоска с точност до няколко процента. Чрез комбиниране на тези данни с точно измерване на плътността на материята във Вселената става ясно, че тя има само около 23% от критичната плътност. Един от начините да се обясни липсващата енергийна плътност е да се приложи космологичната константа. Както се оказа, определено количество от него просто е необходимо, за да се обясни ускорението, наблюдавано в данните за свръхнова. Това беше точно факторът, необходим, за да направи Вселената плоска. Следователно, космологичната константа разреши очевидното противоречие между наблюденията на плътността на материята и CMB.
Какъв е смисълът?
За да отговорите на въпросите, които възникват, помислете за следното. Нека се опитаме да обясним физическото значение на космологичната константа.
Взимаме уравнението на GR-1917 и поставяме метричния тензор gab извън скоби. Следователно, вътре в скобите ще имаме израза (R / 2 - Λ). Стойността на R е представена без индекси - това е обичайната скаларна кривина. Ако обясните на пръстите - това е обратното на радиуса на кръга/сферата. Плоско пространство съответства на R=0.
В тази интерпретация ненулева стойност на Λ означава, че нашата Вселена е извитасамо по себе си, включително при липса на гравитация. Повечето физици обаче не вярват в това и вярват, че наблюдаваната кривина трябва да има някаква вътрешна причина.
Тъмна материя
Този термин се използва за хипотетична материя във Вселената. Той е предназначен да обясни много проблеми със стандартния космологичен модел на Големия взрив. Астрономите изчисляват, че около 25% от Вселената е съставена от тъмна материя (може би събрана от нестандартни частици като неутрино, аксиони или слабо взаимодействащи масивни частици [WIMPs]). И 70% от Вселената в техните модели се състои от още по-неясна тъмна енергия, оставяйки само 5% за обикновената материя.
Креационистка космология
През 1915 г. Айнщайн решава проблема с публикуването на общата си теория на относителността. Тя показа, че аномалната прецесия е следствие от това как гравитацията изкривява пространството и времето и контролира движенията на планетите, когато те са особено близо до масивни тела, където кривината на пространството е най-силно изразена..
Нютоновата гравитация не е много точно описание на движението на планетата. Особено когато кривината на пространството се отдалечава от евклидовата плоскост. А общата теория на относителността обяснява наблюдаваното поведение почти точно. По този начин нито тъмната материя, която някои предполагат, че е в невидим пръстен от материя около Слънцето, нито самата планета Вулкан, не са били необходими за обяснение на аномалията.
Заключения
В първите дникосмологичната константа би била незначителна. В по-късни моменти плътността на материята ще бъде по същество нула и Вселената ще бъде празна. Живеем в онази кратка космологична епоха, когато и материята, и вакуумът са със сравнима величина.
В рамките на компонента на материята очевидно има принос както от бариони, така и от небарионен източник, като и двата са сравними (поне съотношението им не зависи от времето). Тази теория се люлее под тежестта на своята неестественост, но въпреки това пресича финалната линия много по-напред от конкуренцията, толкова добре се вписва в данните.
В допълнение към потвърждаването (или опровергаването) на този сценарий, основното предизвикателство за космолозите и физиците през следващите години ще бъде да разберат дали тези на пръв поглед неприятни аспекти на нашата вселена са просто невероятни съвпадения или всъщност отразяват основната структура, която ние още не разбирам.
Ако имаме късмет, всичко, което изглежда неестествено сега, ще служи като ключ към по-задълбочено разбиране на фундаменталната физика.
