Početkom 20. veka, mladi naučnik po imenu Albert Ajnštajn posmatrao je svojstva svetlosti i mase i njihov međusobni odnos. Rezultat njegovih razmišljanja bila je teorija relativnosti. Njegov rad promijenio je modernu fiziku i astronomiju na način koji se osjeća i danas. Svaki učenik proučava svoju čuvenu E=MC2 jednačinu kako bi shvatio u kakvoj su vezi masa i energija. Ovo je jedna od fundamentalnih činjenica postojanja kosmosa.
Šta je kosmološka konstanta?
Koliko god duboke bile Ajnštajnove jednačine za opštu relativnost, one su predstavljale problem. Pokušao je da objasni kako masa i svjetlost postoje u svemiru, kako njihova interakcija može dovesti do statičkog (to jest, ne širenja) svemira. Nažalost, njegove jednačine predviđale su da će se ili skupljati ili širiti, i da će to nastaviti činiti zauvijek, ali će na kraju doći do tačke u kojoj će se skupljati.
Nije mu se činilo u redu, pa je Ajnštajn morao da objasni način zadržavanja gravitacije,objasniti statični univerzum. Uostalom, većina fizičara i astronoma njegovog vremena jednostavno je pretpostavljala da je to tako. Tako je Ajnštajn izmislio Fadžov faktor, nazvan "kosmološka konstanta", koji je dao red jednačinama i rezultirao univerzumom koji se niti širi niti skuplja. Osmislio je znak "lambda" (grčko slovo), koji označava gustinu energije u vakuumu svemira. On kontroliše širenje, a njegov nedostatak zaustavlja ovaj proces. Sada je bio potreban faktor da se objasni kosmološka teorija.
Kako izračunati?
Albert Ajnštajn je predstavio prvu verziju opšte teorije relativnosti (GR) javnosti 25. novembra 1915. godine. Ajnštajnove originalne jednačine su izgledale ovako:
U modernom svijetu, kosmološka konstanta je:
Ova jednačina opisuje teoriju relativnosti. Također, konstanta se također naziva lambda član.
Galaksije i svemir koji se širi
Kosmološka konstanta nije popravila stvari onako kako je očekivao. Zapravo, funkcioniralo je, ali samo neko vrijeme. Problem kosmološke konstante nije riješen.
Ovo se nastavilo sve dok drugi mladi naučnik, Edwin Hubble, nije napravio duboko zapažanje promjenljivih zvijezda u udaljenim galaksijama. Njihovo treperenje otkrilo je udaljenosti do ovih kosmičkih struktura i još mnogo toga.
Hubbleov rad je demonstriraone samo da je svemir uključivao mnoge druge galaksije, već se ispostavilo da se širio, a sada znamo da se brzina ovog procesa mijenja tokom vremena. Ovo je u velikoj meri svelo Ajnštajnovu kosmološku konstantu na nulu, pa je veliki naučnik morao da revidira svoje pretpostavke. Istraživači ga nisu u potpunosti napustili. Međutim, Ajnštajn je kasnije dodavanje svoje konstante općoj relativnosti nazvao najvećom greškom u svom životu. Ali je li?
Nova kosmološka konstanta
Godine 1998., tim naučnika koji je radio sa svemirskim teleskopom Hubble, proučavajući udaljene supernove, primijetio je nešto potpuno neočekivano: širenje svemira se ubrzava. Štaviše, tempo procesa nije onakav kakav su očekivali i bio je u prošlosti.
S obzirom na to da je svemir ispunjen masom, čini se logičnim da se širenje uspori, čak i ako je tako malo. Stoga se činilo da je ovo otkriće u suprotnosti sa onim što su jednačine i Ajnštajnova kosmološka konstanta predviđale. Astronomi nisu razumjeli kako objasniti prividno ubrzanje ekspanzije. Zašto, kako se ovo dešava?
Odgovori na pitanja
Da bi objasnili ubrzanje i kosmološke pojmove o njemu, naučnici su se vratili ideji originalne teorije.
Njihova najnovija spekulacija ne isključuje postojanje nečega što se zove tamna energija. To je nešto što se ne može vidjeti ili osjetiti, ali se njegovi efekti mogu izmjeriti. To je isto kao i mrakmaterija: njen efekat se može odrediti po tome kako utiče na svetlost i vidljivu materiju.
Astronomi možda još ne znaju šta je ta tamna energija. Međutim, oni znaju da to utiče na širenje svemira. Za razumijevanje ovih procesa potrebno je više vremena za posmatranje i analizu. Možda kosmološka teorija ipak nije tako loša ideja? Uostalom, to se može objasniti pretpostavkom da tamna energija postoji. Očigledno, ovo je istina i naučnici moraju tražiti dalja objašnjenja.
Šta se dogodilo na početku?
Einsteinov originalni kosmološki model bio je statički homogeni model sa sfernom geometrijom. Gravitacijski efekat materije izazvao je ubrzanje u ovoj strukturi, što Ajnštajn nije mogao da objasni, pošto se u to vreme nije znalo da se svemir širi. Stoga je naučnik uveo kosmološku konstantu u svoje jednačine opšte relativnosti. Ova konstanta se primjenjuje da se suprotstavi gravitacijskom privlačenju materije, pa je opisana kao antigravitacijski efekat.
Omega Lambda
Umjesto same kosmološke konstante, istraživači se često pozivaju na odnos između gustine energije koja joj nastaje i kritične gustine svemira. Ova vrijednost se obično označava na sljedeći način: ΩΛ. U ravnom univerzumu, ΩΛ odgovara djeliću njegove gustine energije, što se također objašnjava kosmološkom konstantom.
Imajte na umu da je ova definicija povezana sa kritičnom gustinom tekuće epohe. Vremenom se mijenja, ali gustinaenergija, zbog kosmološke konstante, ostaje nepromijenjena kroz historiju svemira.
Razmotrimo dalje kako moderni naučnici razvijaju ovu teoriju.
Kosmološki dokaz
Trenutna studija svemira koji se ubrzava sada je veoma aktivna, sa mnogo različitih eksperimenata koji pokrivaju veoma različite vremenske skale, skale dužine i fizičke procese. Napravljen je kosmološki CDM model u kojem je Univerzum ravan i ima sljedeće karakteristike:
- gustina energije, što je oko 4% barionske materije;
- 23% tamne materije;
- 73% kosmološke konstante.
Kritični rezultat opservacije koji je kosmološku konstantu doveo do njenog trenutnog značaja bilo je otkriće da su udaljene supernove tipa Ia (0<z<1) korištene kao standardne svijeće bile slabije nego što se očekivalo u svemiru koji se usporava. Od tada, mnoge grupe su potvrdile ovaj rezultat sa više supernova i širim rasponom crvenih pomaka.
Objasnimo detaljnije. Od posebne važnosti u trenutnom kosmološkom razmišljanju su zapažanja da su supernove s ekstremno visokim crvenim pomakom (z>1) svjetlije od očekivanog, što je potpis koji se očekuje od vremena usporavanja koje vodi do našeg trenutnog perioda ubrzanja. Prije objavljivanja rezultata supernove 1998., već je postojalo nekoliko linija dokaza koji su utrli put relativno brzomprihvatanje teorije ubrzanja Univerzuma uz pomoć supernova. Konkretno, tri od njih:
- Ispostavilo se da je svemir mlađi od najstarijih zvijezda. Njihova evolucija je dobro proučena, a njihova zapažanja u globularnim jatima i drugdje pokazuju da su najstarije formacije stare preko 13 milijardi godina. Ovo možemo uporediti sa starošću svemira mjerenjem njegove današnje brzine širenja i praćenjem do vremena Velikog praska. Ako bi svemir usporio na svoju trenutnu brzinu, tada bi starost bila manja nego da se ubrza do sadašnje brzine. Ravni univerzum koji sadrži samo materiju bio bi star oko 9 milijardi godina, što je veliki problem s obzirom da je nekoliko milijardi godina mlađi od najstarijih zvijezda. S druge strane, ravan svemir sa 74% kosmološke konstante bio bi star oko 13,7 milijardi godina. Dakle, vidjevši da ona trenutno ubrzava riješio je dobni paradoks.
- Previše udaljenih galaksija. Njihov broj se već naširoko koristio u pokušajima da se procijeni usporavanje širenja Univerzuma. Količina prostora između dva crvena pomaka se razlikuje u zavisnosti od istorije proširenja (za dati čvrsti ugao). Koristeći broj galaksija između dva crvena pomaka kao meru zapremine prostora, posmatrači su utvrdili da se udaljeni objekti čine prevelikim u poređenju sa predviđanjima svemira koji se usporava. Ili su luminoznost galaksija ili njihov broj po jedinici zapremine evoluirali tokom vremena na neočekivane načine, ili su zapremine koje smo izračunali bile pogrešne. Ubrzavajuća materija bi moglaobjasnio bi zapažanja bez pokretanja bilo kakve čudne teorije evolucije galaksije.
- Uočljiva ravnost univerzuma (uprkos nepotpunim dokazima). Koristeći mjerenja temperaturnih fluktuacija u kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini (CMB), od vremena kada je svemir bio star oko 380.000 godina, može se zaključiti da je prostorno ravan do nekoliko procenata. Kombinovanjem ovih podataka sa preciznim merenjem gustine materije u svemiru, postaje jasno da on ima samo oko 23% kritične gustine. Jedan od načina da se objasni gustoća energije koja nedostaje je primjena kosmološke konstante. Kako se ispostavilo, određena količina je jednostavno neophodna da se objasni ubrzanje uočeno u podacima supernove. Ovo je bio samo faktor potreban da bi se svemir učinio ravnim. Stoga je kosmološka konstanta razriješila očiglednu kontradikciju između opažanja gustine materije i CMB.
Koja je poenta?
Da biste odgovorili na pitanja koja se pojavljuju, razmotrite sljedeće. Pokušajmo objasniti fizičko značenje kosmološke konstante.
Uzmimo GR jednačinu-1917 i stavimo metrički tenzor gab van zagrada. Dakle, unutar zagrada ćemo imati izraz (R / 2 - Λ). Vrijednost R je predstavljena bez indeksa - ovo je uobičajena, skalarna zakrivljenost. Ako objasnite na prstima - ovo je recipročna vrijednost polumjera kruga/sfere. Ravni prostor odgovara R=0.
U ovoj interpretaciji, vrijednost različita od nule od Λ znači da je naš Univerzum zakrivljensamo po sebi, uključujući i u odsustvu bilo kakve gravitacije. Međutim, većina fizičara ne vjeruje u to i vjeruje da uočena zakrivljenost mora imati neki unutrašnji uzrok.
Tamna materija
Ovaj termin se koristi za hipotetičku materiju u svemiru. Dizajniran je da objasni mnoge probleme sa standardnim kosmološkim modelom Velikog praska. Astronomi procjenjuju da se oko 25% svemira sastoji od tamne materije (možda sastavljene od nestandardnih čestica kao što su neutrini, aksioni ili masivne čestice sa slabom interakcijom [WIMP]). A 70% Univerzuma u njihovim modelima sastoji se od još nejasnije tamne energije, ostavljajući samo 5% za običnu materiju.
Kreacionistička kosmologija
Godine 1915. Ajnštajn je rešio problem objavljivanja svoje opšte teorije relativnosti. Ona je pokazala da je anomalna precesija posljedica toga kako gravitacija iskrivljuje prostor i vrijeme i kontrolira kretanje planeta kada su one posebno blizu masivnih tijela, gdje je zakrivljenost prostora najizraženija..
Njutnova gravitacija nije baš tačan opis kretanja planeta. Naročito kada se zakrivljenost prostora udalji od euklidske ravnosti. A opšta teorija relativnosti gotovo tačno objašnjava uočeno ponašanje. Dakle, ni tamna materija, za koju neki sugerišu da se nalazi u nevidljivom prstenu materije oko Sunca, ni sama planeta Vulkan, nisu bili potrebni da se objasne anomalija.
Zaključci
U prvim danimakosmološka konstanta bi bila zanemarljiva. U kasnijim vremenima, gustina materije će u suštini biti nula, a svemir će biti prazan. Živimo u toj kratkoj kosmološkoj epohi kada su i materija i vakuum uporedive veličine.
Unutar komponente materije, očigledno, postoje doprinosi i od bariona i od ne-barionskog izvora, oba su uporediva (barem njihov odnos ne zavisi od vremena). Ova teorija se koleba pod teretom svoje neprirodnosti, ali ipak prelazi ciljnu liniju daleko ispred konkurencije, tako da se dobro uklapa u podatke.
Pored potvrde (ili opovrgavanja) ovog scenarija, glavni izazov za kosmologe i fizičare u narednim godinama će biti da shvate da li su ovi naizgled neugodni aspekti našeg univerzuma jednostavno nevjerovatne koincidencije ili zapravo odražavaju osnovnu strukturu koju mi još ne razumijem.
Ako budemo imali sreće, sve što sada izgleda neprirodno poslužit će kao ključ za dublje razumijevanje fundamentalne fizike.
