Constanta cosmologică: concept, definiție, formulă de calcul și probleme

La începutul secolului al XX-lea, un tânăr om de știință pe nume Albert Einstein a analizat proprietățile luminii și ale masei și modul în care acestea sunt legate între ele. Rezultatul gândirii sale a fost teoria relativității. Munca sa a schimbat fizica și astronomia modernă într-un mod care se simte și astăzi. Fiecare elev studiază faimoasa ecuație E = MC2 pentru a înțelege cum sunt legate masa și energia. Este una dintre faptele fundamentale ale cosmosului.

Care este constanta cosmologică?

Oricât de profunde ar fi fost ecuațiile lui Einstein pentru teoria generală a relativității, ele au prezentat o problemă. El a încercat să explice cum există masa și lumina în univers, cum interacțiunea lor ar putea duce la un univers static (adică fără expansiune). Din nefericire, ecuațiile sale au prezis că se va micșora sau se va extinde, iar acest lucru va continua la nesfârșit, dar va ajunge în cele din urmă la un punct în care va începe să se micșoreze.

Acest lucru nu i s-a părut corect, așa că Einstein a trebuit să explice o modalitate de a menține gravitația pentru a explica un univers static. La urma urmei, majoritatea fizicienilor și astronomilor din vremea sa au presupus pur și simplu că, că o face și este. Deci, Einstein a inventat factorul Fudge, numit "constanta cosmologică", care a dat ordine ecuațiilor și a dus la un univers care nu se extinde și nu se comprimă. A venit cu un semn "lambda" (literă grecească) care desemnează densitatea de energie în vidul spațiului. Ea controlează expansiunea, iar lipsa ei de expansiune oprește procesul. Acum era nevoie de un factor care să explice teoria cosmologică.

Cum se calculează?

Albert Einstein a prezentat publicului prima versiune a teoriei generale a relativității (TGR) la 25 noiembrie 1915. În original, ecuațiile lui Einstein arătau în felul următor:

În lumea modernă, constanta cosmologică este egală:

Această ecuație descrie teoria relativității. De asemenea, constantă încă numit termen lambda.

Galaxiile și universul în expansiune

Constanta cosmologică nu a rezolvat lucrurile așa cum se aștepta el. De fapt, a funcționat, dar numai pentru o vreme. Problema constantei cosmologice nu a fost rezolvată.

Acest lucru a continuat până când un alt tânăr om de știință, Edwin Hubble, a făcut o observație amănunțită a stelelor variabile din galaxiile îndepărtate. Sclipirea lor a dezvăluit distanțele până la aceste structuri cosmice și mai mult.

Lucrările lui Hubble au demonstrat nu numai că universul conținea multe alte galaxii, ci și că acesta părea să fie în expansiune, iar acum știm că rata acestui proces variază în timp. Acest lucru a redus aproape la zero constanta cosmologică a lui Einstein, iar marele savant a trebuit să-și revizuiască ipotezele. Cercetătorii nu au abandonat-o complet. Cu toate acestea, Einstein a numit mai târziu adăugarea constantei sale la teoria generală a de relativitate cea mai mare greșeală a vieții lor. Dar este adevărat??

O nouă constantă cosmologică

În 1998, o echipă de oameni de știință care lucrau cu telescopul spațial Hubble, studiind supernovele îndepărtate, a observat ceva cu totul neașteptat: expansiunea universului se accelerează. În plus, ritmul procesului nu este cel la care se așteptau, iar în trecut era diferit.

Având în vedere că universul este plin de masă, pare logic că expansiunea ar trebui să încetinească, chiar dacă ar fi atât de ușoară. Deci, această descoperire pare să contrazică ceea ce preziceau ecuațiile lui Einstein și constanta cosmologică. Astronomii nu au înțeles, cum să explici Accelerația aparentă a expansiunii. De ce, cum se întâmplă?

Răspunsuri la întrebări

Pentru a explica accelerația și ideile cosmologice despre aceasta, oamenii de știință s-au întors la ideea teoriei originale.

Ultimele lor ipoteze nu exclud existența a ceea ce se numește energie întunecată. E ceva ce nu poți vedea sau simți, dar.. efectele sale poate fi măsurată. Este la fel ca materia întunecată: efectele sale pot fi determinate de modul în care afectează lumina și materia vizibilă.

Este posibil ca astronomii să nu știe încă ce este această energie întunecată. Dar ei știu că afectează expansiunea universului. Pentru a înțelege aceste procese este nevoie de mai mult timp pentru observare și analiză. Poate că teoria cosmologică nu este o idee atât de rea? La urma urmei, poate fi explicat presupunând că energia întunecată există. Se pare că așa stau lucrurile, iar oamenii de știință trebuie să caute explicații suplimentare.

Ce a fost la început?

Modelul cosmologic original al lui Einstein era un model static omogen cu geometrie sferică. Efectul gravitațional al materiei a provocat o accelerație în această structură pe care Einstein nu a putut să o explice, deoarece la acea vreme nu se știa că universul se extinde. Astfel, savantul a introdus o constantă cosmologică în ecuațiile sale de relativitate generală. Această constantă este aplicată pentru a contracara atracția gravitațională a materiei, astfel că a fost descrisă ca efect antigravitațional.

Omega Lambda

În loc de constanta cosmologică în sine, cercetătorii se referă adesea la relația dintre densitatea de energie datorată acesteia și densitatea critică a universului. Această valoare este de obicei notată ca ΩΛ. Într-un Univers plat, ΩΛ corespunde unei fracțiuni din densitatea de energie a acestuia, ceea ce se explică și prin constanta cosmologică.

Rețineți că această definiție este legată de densitatea critică a epocii actuale. Aceasta variază în timp, dar densitatea de energie datorată constantei cosmologice rămâne constantă de-a lungul istoriei Universului.

Să vedem cum dezvoltă oamenii de știință moderni această teorie.

Dovada cosmologică

Studiul actual al Universului în curs de accelerare este acum foarte activ, cu multe experimente diferite care acoperă scări temporale, scări de lungime și procese fizice complet diferite. A fost creat modelul cosmologic CDM, în care universul este plat și are aceste caracteristici:

• densitatea de energie, care este de aproximativ 4% din materia barionică;
• 23% materie întunecată;
• 73% din constanta cosmologică.

Rezultatul observațional critic care a adus constanta cosmologică la semnificația sa actuală a fost descoperirea faptului că supernovele îndepărtate de tip Ia (0

Să explicăm mai în detaliu. De o relevanță deosebită pentru conceptul cosmologic modern este observația că supernovele cu o deplasare spre roșu extrem de mare (z>1) mai strălucitoare decât era de așteptat, ceea ce reprezintă semnătura așteptată a unei perioade de decelerare care precede perioada de accelerare actuală. Înainte ca supernovele să fie lansate în 1998, existau deja câteva linii de dovezi care au deschis calea pentru acceptarea relativ rapidă a teoriei accelerării universului prin supernove. Trei în special:

1. Universul a apărut mai tânăr decât cele mai vechi stele. Evoluția lor este bine înțeleasă, iar observațiile lor în roiurile globulare și în alte părți sugerează că cele mai vechi formațiuni au o vechime de peste 13 miliarde de ani. Putem compara acest lucru cu vârsta Universului, măsurând rata de expansiune din prezent și urmărind-o până în momentul Big Bang-ului. Dacă Universul ar fi încetinit până la viteza sa actuală, vârsta sa ar fi mai mică decât dacă ar fi accelerat până la viteza sa actuală. Un Univers plat format doar din materie ar avea o vechime de aproximativ 9 miliarde de ani - o problemă serioasă, având în vedere că este cu câteva miliarde de ani mai tânăr decât cele mai vechi stele. Pe de altă parte, un Univers plat cu o constantă cosmologică de 74% ar avea o vechime de aproximativ 13,7 miliarde de ani. Astfel, observația că în prezent se accelerează a rezolvat paradoxul vârstei.
2. Prea multe galaxii îndepărtate. Numărul lor a fost deja utilizat pe scară largă în încercările de a estima încetinirea expansiunii Universului. Volumul de spațiu dintre cele două deplasări spre roșu diferă în funcție de istoria expansiunii (pentru un unghi solid dat). Folosind numărul de galaxii între două deplasări spre roșu ca măsură a volumului spațiului, observatorii au determinat că obiectele îndepărtate par prea mari în comparație cu predicțiile unui Univers în încetinire. Fie că luminozitatea galaxiilor sau numărul lor pe unitate de volum a evoluat în timp în moduri neașteptate, fie că volumele pe care le-am calculat au fost greșite. Accelerarea materiei ar putea explica observațiile fără a provoca vreo teorie ciudată a evoluției galaxiilor.
3. Planeitatea observată a Universului (în ciuda dovezilor incomplete). Folosind măsurători ale fluctuațiilor de temperatură din radiația cosmică de fond cu microunde (CMB) de când universul avea aproximativ 380.000 de ani, se poate deduce că acesta este plat din punct de vedere spațial cu o precizie de câteva procente. Combinând aceste date cu o măsurare exactă a densității materiei din Univers, devine clar că acesta are doar aproximativ 23% din densitatea critică. O modalitate de a explica densitatea de energie lipsă este aplicarea constantei cosmologice. După cum se pare, o parte din ea este pur și simplu necesare pentru pentru a explica accelerația observată în cazul supernovelor. Acesta este exact factorul necesar pentru ca universul să fie plat. Prin urmare, constanta cosmologică a rezolvat contradicția aparentă dintre observațiile privind densitatea materiei și CMB.

Care este semnificația?

Pentru a răspunde la întrebările care apar, luați în considerare următoarele. Să încercăm să explicăm o semnificație fizică a constantei cosmologice.

Luăm ecuația GTR-1917 și eliminăm tensorul metric g_ab. În consecință, în interiorul parantezelor vom avea expresia (R/2 - Λ). Valoarea lui R este prezentată fără indici - este o curbură normală, scalară. Pentru a explica în cifre, este inversul razei unui cerc/sferă. Spațiul plat corespunde la R = 0.

În acest tratament, o valoare diferită de zero a lui Λ înseamnă că universul nostru este curbat prin el însuși, inclusiv în absența de orice gravitate. Cu toate acestea, majoritatea fizicienilor nu cred acest lucru și consideră că trebuie să existe un motiv intrinsec pentru curbura observată.

Materia întunecată

Aceasta termenul se aplică Pentru materia ipotetică din Univers. Acesta este menit să explice o serie de probleme cu modelul cosmologic standard al Big Bang-ului. Astronomii speculează că aproximativ 25% din univers este alcătuit din materie întunecată (posibil colectată din particule non-standard, cum ar fi neutrini, axioni sau particule masive cu interacțiune slabă [WIMP]). Iar 70% din universul din modelele lor este format din și mai obscură energie întunecată, lăsând doar 5% pentru materia obișnuită.

Cosmologie creaționistă

În 1915, Einstein a rezolvat problema prin publicarea teoriei sale generale a relativității. Acesta a arătat că precesia anormală este o consecință a modului în care gravitația distorsionează spațiul și timpul și controlează mișcările planetelor atunci când acestea sunt deosebit de aproape de corpuri masive, unde curbura spațiului este cea mai pronunțată.

Gravitația newtoniană nu este o descriere suficient de exactă a mișcării planetare. Mai ales atunci când curbura spațiului se îndepărtează de planeitatea euclidiană. Iar teoria generală a relativității explică aproape exact comportamentul observat. Astfel, nici materia întunecată, despre care unii au sugerat că s-ar afla într-un inel invizibil de materie în jurul Soarelui, nici planeta Vulcan însăși, nu erau necesare pentru a explica anomalia.

Concluzii

În vremurile anterioare, constanta cosmologică ar fi fost neglijabilă. La momente ulterioare, densitatea materiei va fi practic zero și universul va fi gol. Trăim în acea scurtă epocă cosmologică în care atât materia cât și vidul sunt de mărime comparabilă.

În cadrul componentei de materie, se pare că există contribuții atât din surse baryonice, cât și non-baryonice, ambele comparabile (cel puțin raportul lor este independent de timp). Această teorie se clatină sub povara nefirescului său, dar totuși trece linia de sosire mult mai devreme decât concurenții săi, atât de bine se aliniază cu datele.

În afară de confirmarea (sau infirmarea) acestui scenariu, principala provocare pentru cosmologi și fizicieni în anii următori va fi să înțeleagă dacă aceste aspecte aparent neplăcute ale Universului nostru sunt doar coincidențe surprinzătoare sau dacă reflectă de fapt o structură de bază pe care încă nu o înțelegem.

Dacă suntem norocoși, tot ceea ce pare nefiresc acum va servi ca o cheie pentru o înțelegere mai profundă a fizicii fundamentale.