Noong unang bahagi ng ika-20 siglo, tiningnan ng isang batang scientist na nagngangalang Albert Einstein ang mga katangian ng liwanag at masa at kung paano nauugnay ang mga ito sa isa't isa. Ang resulta ng kanyang mga pagninilay ay ang teorya ng relativity. Binago ng kanyang trabaho ang modernong pisika at astronomiya sa paraang nararamdaman pa rin hanggang ngayon. Pinag-aaralan ng bawat mag-aaral ang kanilang sikat na E=MC2 equation upang maunawaan kung paano nauugnay ang masa at enerhiya. Isa ito sa mga pangunahing katotohanan ng pagkakaroon ng kosmos.
Ano ang cosmological constant?
Kasing lalim ng mga equation ni Einstein para sa pangkalahatang relativity, nagpakita sila ng problema. Sinikap niyang ipaliwanag kung paano umiiral ang masa at liwanag sa uniberso, kung paano maaaring humantong ang kanilang pakikipag-ugnayan sa isang static (iyon ay, hindi lumalawak) na uniberso. Sa kasamaang-palad, hinulaan ng kanyang mga equation na ito ay mag-uurong o lalawak, at magpapatuloy ito magpakailanman, ngunit sa kalaunan ay aabot sa punto kung saan ito ay magkontrata.
Hindi tama ang pakiramdam niya, kaya kinailangan ni Einstein na ipaliwanag ang isang paraan upang mahawakan ang gravity,upang ipaliwanag ang static na uniberso. Pagkatapos ng lahat, karamihan sa mga physicist at astronomer sa kanyang panahon ay ipinapalagay lamang na ito ang kaso. Kaya't naimbento ni Einstein ang Fudge factor, na tinatawag na "cosmological constant," na nagbigay ng kaayusan sa mga equation at nagresulta sa isang uniberso na hindi lumalawak o hindi kumukontra. Nakabuo siya ng sign na "lambda" (liham sa Griyego), na nagsasaad ng density ng enerhiya sa vacuum ng espasyo. Kinokontrol nito ang pagpapalawak, at ang kakulangan nito ay humihinto sa prosesong ito. Ngayon ay kailangan ang isang salik upang ipaliwanag ang teoryang kosmolohikal.
Paano magkalkula?
Iniharap ni Albert Einstein ang unang bersyon ng pangkalahatang teorya ng relativity (GR) sa publiko noong Nobyembre 25, 1915. Ang mga orihinal na equation ni Einstein ay ganito ang hitsura:
Sa modernong mundo, ang cosmological constant ay:
Ang equation na ito ay naglalarawan sa teorya ng relativity. Gayundin, ang constant ay tinatawag ding miyembro ng lambda.
Galaxies at ang lumalawak na Uniberso
Hindi inayos ng cosmological constant ang mga bagay sa paraang inaasahan niya. Sa totoo lang, nagtrabaho ito, ngunit saglit lang. Ang problema ng cosmological constant ay hindi nalutas.
Nagpatuloy ito hanggang sa gumawa ng malalim na pagmamasid ang isa pang batang siyentipiko, si Edwin Hubble, sa mga variable na bituin sa malalayong galaxy. Inihayag ng kanilang flicker ang mga distansya sa mga cosmic structure na ito at higit pa.
Ang gawa ni Hubble ay nagpakitahindi lamang na ang uniberso ay nagsama ng maraming iba pang mga kalawakan, ngunit sa nangyari, ito ay lumalawak, at ngayon alam natin na ang bilis ng prosesong ito ay nagbabago sa paglipas ng panahon. Ito ay higit na nagbawas sa kosmolohikal na pare-pareho ni Einstein sa zero, at ang mahusay na siyentipiko ay kailangang baguhin ang kanyang mga pagpapalagay. Hindi ito tuluyang tinalikuran ng mga mananaliksik. Gayunpaman, tinawag ni Einstein ang pagdaragdag ng kanyang pare-pareho sa pangkalahatang relativity bilang pinakamalaking pagkakamali ng kanyang buhay. Ngunit ito ba?
Bagong cosmological constant
Noong 1998, isang pangkat ng mga siyentipiko na nagtatrabaho sa Hubble Space Telescope, na nag-aaral ng malalayong supernovae, ay nakapansin ng isang bagay na ganap na hindi inaasahan: ang paglawak ng uniberso ay bumibilis. Bukod dito, ang bilis ng proseso ay hindi tulad ng inaasahan nila at sa nakaraan.
Dahil ang uniberso ay puno ng masa, tila lohikal na ang paglawak ay dapat bumagal, kahit na ito ay napakaliit. Kaya, ang pagtuklas na ito ay tila sumasalungat sa kung ano ang hinulaang ng mga equation at ng cosmological constant ni Einstein. Hindi naunawaan ng mga astronomo kung paano ipaliwanag ang maliwanag na pagbilis ng pagpapalawak. Bakit, paano ito nangyayari?
Mga sagot sa mga tanong
Upang ipaliwanag ang acceleration at ang cosmological notions tungkol dito, ibinalik ng mga siyentipiko ang ideya ng orihinal na teorya.
Hindi isinasantabi ng kanilang pinakabagong haka-haka ang pagkakaroon ng tinatawag na dark energy. Ito ay isang bagay na hindi nakikita o nararamdaman, ngunit ang mga epekto nito ay masusukat. Kapareho ito ng dilimbagay: maaaring matukoy ang epekto nito sa pamamagitan ng kung paano ito nakakaapekto sa liwanag at nakikitang bagay.
Maaaring hindi pa alam ng mga astronomo kung ano ang dark energy na ito. Gayunpaman, alam nila na nakakaapekto ito sa paglawak ng uniberso. Upang maunawaan ang mga prosesong ito, kailangan ng mas maraming oras para sa pagmamasid at pagsusuri. Siguro ang cosmological theory ay hindi isang masamang ideya pagkatapos ng lahat? Pagkatapos ng lahat, maaari itong ipaliwanag sa pamamagitan ng pag-aakala na ang madilim na enerhiya ay umiiral. Tila, totoo ito at kailangang maghanap ang mga siyentipiko ng karagdagang paliwanag.
Ano ang nangyari sa simula?
Ang orihinal na modelo ng cosmological ni Einstein ay isang static na homogenous na modelo na may spherical geometry. Ang gravitational effect ng matter ay nagdulot ng isang acceleration sa istrukturang ito, na hindi maipaliwanag ni Einstein, dahil sa oras na iyon ay hindi alam na ang uniberso ay lumalawak. Samakatuwid, ipinakilala ng siyentipiko ang cosmological constant sa kanyang mga equation ng general relativity. Ang pare-parehong ito ay inilapat upang kontrahin ang gravitational pull ng matter, at kaya ito ay inilarawan bilang ang anti-gravity effect.
Omega Lambda
Sa halip na ang cosmological constant mismo, ang mga mananaliksik ay madalas na tumutukoy sa kaugnayan sa pagitan ng density ng enerhiya dahil dito at ng kritikal na density ng uniberso. Ang halagang ito ay karaniwang tinutukoy bilang mga sumusunod: ΩΛ. Sa isang patag na uniberso, ang ΩΛ ay tumutugma sa isang bahagi ng density ng enerhiya nito, na ipinaliwanag din ng cosmological constant.
Tandaan na ang kahulugang ito ay nauugnay sa kritikal na density ng kasalukuyang panahon. Nagbabago ito sa paglipas ng panahon, ngunit ang densityenerhiya, dahil sa cosmological constant, ay nananatiling hindi nagbabago sa buong kasaysayan ng uniberso.
Pag-isipan pa natin kung paano binuo ng mga modernong siyentipiko ang teoryang ito.
Cosmological proof
Ang kasalukuyang pag-aaral ng accelerating universe ay napakaaktibo na ngayon, na may maraming iba't ibang mga eksperimento na sumasaklaw sa napakaraming iba't ibang mga sukat ng oras, mga sukat ng haba at mga pisikal na proseso. Isang cosmological CDM na modelo ang nagawa, kung saan ang Uniberso ay patag at may mga sumusunod na katangian:
- energy density, na humigit-kumulang 4% ng baryonic matter;
- 23% dark matter;
- 73% ng cosmological constant.
Ang kritikal na resulta ng obserbasyon na nagdala sa cosmological constant sa kasalukuyan nitong kahalagahan ay ang pagtuklas na ang malayong Type Ia (0<z<1) na supernovae na ginamit bilang mga karaniwang kandila ay mas mahina kaysa sa inaasahan sa isang bumagal na uniberso. Simula noon, maraming grupo ang nakumpirma ang resultang ito sa mas maraming supernovae at mas malawak na hanay ng mga redshift.
Ipaliwanag natin nang mas detalyado. Ang partikular na kahalagahan sa kasalukuyang cosmological na pag-iisip ay ang mga obserbasyon na ang napakataas na redshift (z>1) supernovae ay mas maliwanag kaysa sa inaasahan, na isang pirma na inaasahan mula sa oras ng deceleration na humahantong sa ating kasalukuyang panahon ng acceleration. Bago ang paglabas ng mga resulta ng supernova noong 1998, mayroon nang ilang linya ng ebidensya na nagbigay daan para sa medyo mabilispagtanggap sa teorya ng acceleration ng Uniberso sa tulong ng supernovae. Sa partikular, tatlo sa kanila:
- Ang uniberso ay naging mas bata kaysa sa mga pinakamatandang bituin. Ang kanilang ebolusyon ay pinag-aralan nang mabuti, at ang mga obserbasyon sa kanila sa mga globular na kumpol at sa iba pang lugar ay nagpapakita na ang pinakamatandang pormasyon ay higit sa 13 bilyong taong gulang. Maihahambing natin ito sa edad ng uniberso sa pamamagitan ng pagsukat sa bilis ng pagpapalawak nito ngayon at pagsubaybay pabalik sa panahon ng Big Bang. Kung ang uniberso ay bumagal sa kasalukuyang bilis nito, kung gayon ang edad ay magiging mas mababa kaysa sa kung ito ay bumilis sa kasalukuyang bilis nito. Ang isang flat, matter-only na uniberso ay magiging mga 9 bilyong taong gulang, isang malaking problema kung isasaalang-alang na ito ay ilang bilyong taon na mas bata kaysa sa mga pinakamatandang bituin. Sa kabilang banda, ang isang patag na uniberso na may 74% ng cosmological constant ay mga 13.7 bilyong taong gulang. Kaya't nakikita na siya ay kasalukuyang bumibilis ay nalutas ang kabalintunaan ng edad.
- Napakaraming malalayong galaxy. Ang kanilang numero ay malawakang ginagamit sa mga pagtatangka upang tantiyahin ang pagbabawas ng bilis ng paglawak ng Uniberso. Ang dami ng espasyo sa pagitan ng dalawang redshift ay nag-iiba depende sa kasaysayan ng pagpapalawak (para sa isang partikular na solidong anggulo). Gamit ang bilang ng mga galaxy sa pagitan ng dalawang redshift bilang sukatan ng volume ng espasyo, natukoy ng mga tagamasid na ang malalayong bagay ay lumilitaw na masyadong malaki kumpara sa mga hula ng isang bumagal na uniberso. Alinman sa luminosity ng mga galaxy o ang kanilang bilang sa bawat unit volume ay nagbago sa paglipas ng panahon sa mga hindi inaasahang paraan, o ang mga volume na aming nakalkula ay mali. Ang accelerating na bagay ay maaaringipapaliwanag ang mga obserbasyon nang hindi nagpapalitaw ng anumang kakaibang teorya ng ebolusyon ng kalawakan.
- Ang nakikitang patag ng uniberso (sa kabila ng hindi kumpletong ebidensya). Gamit ang mga sukat ng pagbabagu-bago ng temperatura sa cosmic microwave background (CMB), mula noong ang uniberso ay humigit-kumulang 380,000 taong gulang, maaari itong tapusin na ito ay spatially flat sa loob ng ilang porsyento. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga datos na ito sa isang tumpak na pagsukat ng density ng bagay sa uniberso, nagiging malinaw na mayroon lamang itong halos 23% ng kritikal na density. Ang isang paraan upang ipaliwanag ang nawawalang density ng enerhiya ay ang paglalapat ng cosmological constant. Tulad ng nangyari, ang isang tiyak na halaga nito ay kinakailangan lamang upang ipaliwanag ang acceleration na naobserbahan sa data ng supernova. Ito lang ang salik na kailangan para gawing patag ang uniberso. Samakatuwid, nalutas ng cosmological constant ang maliwanag na kontradiksyon sa pagitan ng mga obserbasyon ng density ng matter at CMB.
Ano ang punto?
Upang masagot ang mga tanong na lumabas, isaalang-alang ang sumusunod. Subukan nating ipaliwanag ang pisikal na kahulugan ng cosmological constant.
Kinuha namin ang GR equation-1917 at inilalagay namin ang metric tensor gab sa mga bracket. Samakatuwid, sa loob ng mga bracket magkakaroon tayo ng expression (R / 2 - Λ). Ang halaga ng R ay kinakatawan nang walang mga indeks - ito ang karaniwan, scalar curvature. Kung ipaliwanag mo sa mga daliri - ito ang kapalit ng radius ng bilog / globo. Ang flat space ay tumutugma sa R =0.
Sa interpretasyong ito, ang di-zero na halaga ng Λ ay nangangahulugan na ang ating Uniberso ay kurbadongsa sarili nito, kasama ang kawalan ng anumang gravity. Gayunpaman, karamihan sa mga physicist ay hindi naniniwala dito at naniniwala na ang naobserbahang curvature ay dapat may ilang panloob na dahilan.
Dark matter
Ang terminong ito ay ginagamit para sa hypothetical na bagay sa uniberso. Idinisenyo ito upang ipaliwanag ang maraming problema sa karaniwang modelo ng kosmolohiya ng Big Bang. Tinataya ng mga astronomo na humigit-kumulang 25% ng uniberso ay binubuo ng madilim na bagay (marahil ay binuo mula sa hindi karaniwang mga particle tulad ng neutrino, axions, o Weakly Interacting Massive Particles [WIMPs]). At 70% ng Uniberso sa kanilang mga modelo ay binubuo ng higit pang hindi malinaw na dark energy, na natitira lamang sa 5% para sa ordinaryong bagay.
Creationist cosmology
Noong 1915, nilutas ni Einstein ang problema ng paglalathala ng kanyang pangkalahatang teorya ng relativity. Ipinakita niya na ang maanomalyang precession ay bunga ng kung paano binabaluktot ng gravity ang espasyo at oras at kinokontrol ang mga galaw ng mga planeta kapag malapit ang mga ito sa malalaking katawan, kung saan ang kurbada ng kalawakan ay mas malinaw.
Ang Newtonian gravity ay hindi isang napakatumpak na paglalarawan ng planetary motion. Lalo na kapag ang kurbada ng espasyo ay lumalayo sa Euclidean flatness. At ang pangkalahatang relativity ay nagpapaliwanag ng naobserbahang pag-uugali halos eksakto. Kaya, alinman sa madilim na bagay, na iminungkahi ng ilan ay nasa isang hindi nakikitang singsing ng bagay sa paligid ng Araw, o ang planetang Vulcan mismo, ay hindi kailangan upang ipaliwanag ang anomalya.
Mga Konklusyon
Sa mga unang arawang cosmological constant ay magiging bale-wala. Sa mga susunod na panahon, ang density ng matter ay magiging zero, at ang uniberso ay magiging walang laman. Nabubuhay tayo sa maikling panahon ng kosmolohikal na iyon kung saan ang matter at vacuum ay magkatulad na laki.
Within the matter component, tila, may mga kontribusyon mula sa parehong baryon at hindi baryon source, pareho silang maihahambing (kahit man lang, hindi nakadepende sa oras ang kanilang ratio). Ang teoryang ito ay umaalog-alog sa ilalim ng bigat ng pagiging hindi natural nito, ngunit gayunpaman ay tumatawid sa linya ng pagtatapos na nauuna sa kumpetisyon, napakahusay na akma ito sa data.
Bilang karagdagan sa pagkumpirma (o pagpapabulaanan) sa sitwasyong ito, ang pangunahing hamon para sa mga cosmologist at physicist sa mga darating na taon ay ang maunawaan kung ang mga tila hindi kasiya-siyang aspeto ng ating uniberso ay mga kamangha-manghang pagkakataon lamang o aktwal na nagpapakita ng pangunahing istraktura na tayo hindi mo pa maintindihan.
Kung papalarin tayo, lahat ng tila hindi natural ngayon ay magsisilbing susi sa mas malalim na pag-unawa sa pangunahing pisika.
