A 20. század elején egy fiatal tudós, Albert Einstein a fény és a tömeg tulajdonságait és egymáshoz való viszonyát vizsgálta. Reflexióinak eredménye a relativitáselmélet. Munkássága a mai napig érezhető módon megváltoztatta a modern fizikát és csillagászatot. Minden diák tanulmányozza híres E=MC2 egyenletét, hogy megértse, hogyan függ össze a tömeg és az energia. Ez a kozmosz létezésének egyik alapvető ténye.
Mi a kozmológiai állandó?
Bármilyen mélyek voltak Einstein általános relativitáselméletre vonatkozó egyenletei, problémát jelentettek. Arra törekedett, hogy megmagyarázza, hogyan létezik a tömeg és a fény az univerzumban, hogyan vezethet kölcsönhatásuk egy statikus (vagyis nem táguló) univerzumhoz. Sajnos az egyenletei azt jósolták, hogy vagy összehúzódik, vagy kitágul, és ez így fog maradni mindörökké, de végül elér egy pontot, ahol összehúzódik.
Nem érezte helyesnek, ezért Einsteinnek el kellett magyaráznia a gravitáció megtartásának módját,megmagyarázni a statikus univerzumot. Hiszen korának legtöbb fizikusa és csillagásza egyszerűen azt feltételezte, hogy ez a helyzet. Így Einstein feltalálta a „kozmológiai állandónak” nevezett Caramelt faktort, amely rendet adott az egyenleteknek, és olyan univerzumot eredményezett, amely sem nem tágul, sem nem zsugorodik. Ő találta ki a "lambda" (görög betű) jelet, amely az energiasűrűséget jelöli a tér vákuumában. Ez irányítja a terjeszkedést, hiánya pedig megállítja ezt a folyamatot. Most egy tényezőre volt szükség a kozmológiai elmélet magyarázatához.
Hogyan kell kiszámítani?
Albert Einstein 1915. november 25-én mutatta be a nyilvánosságnak az általános relativitáselmélet (GR) első változatát. Einstein eredeti egyenletei így néztek ki:
A modern világban a kozmológiai állandó:
Ez az egyenlet a relativitáselméletet írja le. Az állandót lambda tagnak is nevezik.
Galaxisok és a táguló Univerzum
A kozmológiai állandó nem úgy hozta helyre a dolgokat, ahogyan azt várta. Valójában működött, de csak egy ideig. A kozmológiai állandó problémája nem megoldott.
Ez addig folytatódott, amíg egy másik fiatal tudós, Edwin Hubble nem végzett mély megfigyelést a távoli galaxisokban lévő változócsillagokról. Villogásuk felfedte a távolságokat ezektől a kozmikus struktúráktól és még sok mást.
Hubble munkája bebizonyítottanem csak az, hogy az univerzum sok más galaxist is magában foglal, hanem, mint kiderült, tágul, és most már tudjuk, hogy ennek a folyamatnak a sebessége idővel változik. Ez nagyrészt nullára csökkentette Einstein kozmológiai állandóját, és a nagy tudósnak felül kellett vizsgálnia feltételezéseit. A kutatók nem hagyták el teljesen. Einstein azonban később élete legnagyobb hibájának nevezte, hogy az általános relativitáselmélethez hozzáadta állandóját. De vajon?
Új kozmológiai állandó
1998-ban a Hubble Űrteleszkóppal dolgozó, távoli szupernóvákat tanulmányozó tudóscsoport teljesen váratlan dolgot vett észre: az univerzum tágulása felgyorsul. Sőt, a folyamat üteme nem az, amit vártak, és a múltban is az volt.
Tekintettel arra, hogy az univerzum tele van tömeggel, logikusnak tűnik, hogy a tágulás lelassuljon, még ha olyan kicsi is lenne. Így ez a felfedezés ellentmondani látszott annak, amit az egyenletek és Einstein kozmológiai állandója jósoltak. A csillagászok nem értették, hogyan magyarázzák a tágulás látszólagos felgyorsulását. Miért, hogyan történik ez?
Válaszok kérdésekre
A gyorsulás és a vele kapcsolatos kozmológiai elképzelések magyarázatára a tudósok visszatértek az eredeti elmélet gondolatához.
Legújabb spekulációik nem zárják ki a sötét energiának nevezett valami létezését. Ez olyasmi, amit nem lehet látni vagy érezni, de a hatása mérhető. Ez ugyanaz, mint a sötétanyag: hatását a fényre és a látható anyagra gyakorolt hatás alapján határozhatjuk meg.
A csillagászok talán még nem tudják, mi ez a sötét energia. Azt azonban tudják, hogy ez befolyásolja az univerzum tágulását. E folyamatok megértéséhez több időre van szükség a megfigyelésre és elemzésre. Lehet, hogy a kozmológiai elmélet mégsem olyan rossz ötlet? Végül is ez azzal magyarázható, hogy feltételezzük, hogy létezik sötét energia. Úgy tűnik, ez igaz, és a tudósoknak további magyarázatokat kell keresniük.
Mi történt az elején?
Einstein eredeti kozmológiai modellje egy gömbgeometriával rendelkező, statikus homogén modell volt. Az anyag gravitációs hatása gyorsulást okozott ebben a szerkezetben, amit Einstein nem tudott megmagyarázni, hiszen akkor még nem tudták, hogy az univerzum tágul. Ezért a tudós bevezette a kozmológiai állandót az általános relativitáselmélet egyenleteibe. Ezt az állandót az anyag gravitációs vonzásának ellensúlyozására alkalmazzák, ezért antigravitációs hatásként írták le.
Omega Lambda
Maga a kozmológiai állandó helyett a kutatók gyakran hivatkoznak az ennek köszönhető energiasűrűség és az univerzum kritikus sűrűsége közötti összefüggésre. Ezt az értéket általában a következőképpen jelölik: ΩΛ. Egy lapos univerzumban ΩΛ az energiasűrűség töredékének felel meg, amit a kozmológiai állandó is magyaráz.
Ne feledje, hogy ez a definíció az aktuális korszak kritikus sűrűségére vonatkozik. Idővel változik, de a sűrűségeaz energia a kozmológiai állandó miatt változatlan marad a világegyetem története során.
Vizsgáljuk meg tovább, hogyan dolgozzák ki a modern tudósok ezt az elméletet.
Kozmológiai bizonyíték
A gyorsuló univerzum jelenlegi tanulmányozása nagyon aktív, sok különböző kísérlettel, amelyek nagyon különböző időskálákat, hosszúsági skálákat és fizikai folyamatokat fednek le. Egy kozmológiai CDM-modellt hoztak létre, amelyben az Univerzum lapos, és a következő jellemzőkkel rendelkezik:
- energiasűrűség, ami a barionos anyag körülbelül 4%-a;
- 23% sötét anyag;
- a kozmológiai állandó 73%-a.
A kritikus megfigyelési eredmény, amely a kozmológiai állandót jelenlegi jelentőségére emelte, az a felfedezés volt, hogy a szabványos gyertyaként használt távoli Ia típusú szupernóvák (0<z<1) gyengébbek a vártnál egy lassuló univerzumban. Azóta sok csoport megerősítette ezt az eredményt több szupernóvával és a vöröseltolódások szélesebb skálájával.
Magyarázzuk el részletesebben. A jelenlegi kozmológiai gondolkodásban különösen fontosak azok a megfigyelések, amelyek szerint a rendkívül nagy vöröseltolódású (z>1) szupernóvák a vártnál fényesebbek, ami a jelenlegi gyorsulási periódusunkhoz vezető lassulási időtől várható. A szupernóva-eredmények 1998-as közzététele előtt már számos bizonyíték állt rendelkezésre, amelyek megnyitották az utat a viszonylag gyorsaz Univerzum szupernóvák segítségével történő gyorsuláselméletének elfogadása. Közülük három:
- A világegyetem fiatalabbnak bizonyult, mint a legrégebbi csillagok. Evolúciójukat alaposan tanulmányozták, és a gömbhalmazokban és másutt végzett megfigyelések azt mutatják, hogy a legrégebbi képződmények több mint 13 milliárd évesek. Összehasonlíthatjuk ezt a világegyetem korával, ha megmérjük mai tágulási sebességét, és visszavezetjük az ősrobbanás idejére. Ha az univerzum lelassulna jelenlegi sebességére, akkor az életkor kisebb lenne, mintha a jelenlegi sebességére gyorsulna. Egy lapos, csak anyagot tartalmazó univerzum körülbelül 9 milliárd éves lenne, ami komoly probléma, tekintve, hogy több milliárd évvel fiatalabb, mint a legrégebbi csillagok. Másrészt egy lapos univerzum, amely a kozmológiai állandó 74%-át tartalmazza, körülbelül 13,7 milliárd éves lenne. Látva tehát, hogy éppen gyorsul, megoldódott a kor paradoxona.
- Túl sok távoli galaxis. Számukat már széles körben felhasználták az Univerzum tágulásának lassulásának becslésére. A két vöröseltolódás közötti tér nagysága a tágulási előzmények függvényében változik (egy adott térszög esetén). A két vöröseltolódás közötti galaxisok számát a tér térfogatának mértékeként használva a megfigyelők megállapították, hogy a távoli objektumok túl nagynak tűnnek a lassuló univerzum előrejelzéseihez képest. Vagy a galaxisok fényessége, vagy térfogategységenkénti számuk az idő múlásával váratlan módon fejlődött, vagy az általunk kiszámított térfogatok tévesek voltak. A gyorsuló ügy lehetmegmagyarázná a megfigyeléseket anélkül, hogy bármilyen furcsa galaxisfejlődési elméletet elindítana.
- A világegyetem megfigyelhető lapossága (a hiányos bizonyítékok ellenére). A kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) hőmérséklet-ingadozásainak mérése alapján a világegyetem körülbelül 380 000 éves korától kezdve megállapítható, hogy néhány százalékos pontossággal térben lapos. Ezeket az adatokat az univerzumban található anyagsűrűség pontos mérésével kombinálva világossá válik, hogy a kritikus sűrűségnek csak körülbelül 23%-a van. A hiányzó energiasűrűség magyarázatának egyik módja a kozmológiai állandó alkalmazása. Mint kiderült, ennek egy bizonyos része egyszerűen szükséges a szupernóva adatokban megfigyelt gyorsulás magyarázatához. Ez volt az a tényező, amelyre szükség volt a világegyetem lapossá tételéhez. Ezért a kozmológiai állandó feloldotta az anyagsűrűség és a CMB megfigyelései közötti látszólagos ellentmondást.
Mi a lényeg?
A felmerülő kérdések megválaszolásához vegye figyelembe a következőket. Próbáljuk meg elmagyarázni a kozmológiai állandó fizikai jelentését.
Vegyük a GR-1917 egyenletet, és zárójelbe tesszük a gab metrikus tenzort. Ezért a zárójelben az (R / 2 - Λ) kifejezés lesz. Az R értékét indexek nélkül ábrázoljuk – ez a szokásos, skaláris görbület. Ha az ujjakon magyarázza - ez a kör / gömb sugarának reciproka. A sík tér R=0-nak felel meg.
Ebben az értelmezésben a Λ nullától eltérő értéke azt jelenti, hogy az univerzumunk görbültönmagában, beleértve a gravitáció hiányát is. A legtöbb fizikus azonban nem hisz ebben, és úgy véli, hogy a megfigyelt görbületnek valamilyen belső oka kell, hogy legyen.
Sötét anyag
Ezt a kifejezést az univerzum hipotetikus anyagára használják. Úgy tervezték, hogy sok problémát megmagyarázzon a szabványos Ősrobbanás kozmológiai modellel. A csillagászok becslése szerint az univerzum körülbelül 25%-a sötét anyagból áll (talán nem szabványos részecskékből, például neutrínókból, axionokból vagy gyengén kölcsönható tömeges részecskékből (WIMP-k) összerakva). A modelljükben szereplő Univerzum 70%-a pedig még homályosabb sötét energiából áll, így csak 5%-a marad a közönséges anyagnak.
Kreacionista kozmológia
1915-ben Einstein megoldotta az általános relativitáselmélet kiadásának problémáját. Megmutatta, hogy az anomális precesszió annak a következménye, hogy a gravitáció hogyan torzítja el a teret és az időt, és szabályozza a bolygók mozgását, amikor azok különösen közel vannak a hatalmas testekhez, ahol a tér görbülete a legkifejezettebb.
A newtoni gravitáció nem túl pontos leírása a bolygó mozgásának. Különösen akkor, ha a tér görbülete eltávolodik az euklideszi síkságtól. Az általános relativitáselmélet pedig szinte pontosan megmagyarázza a megfigyelt viselkedést. Így sem a sötét anyagra, amelyről egyesek szerint a Nap körül egy láthatatlan anyaggyűrű, sem magára a Vulkán bolygóra nem volt szükség az anomália magyarázatához.
Következtetések
A kezdeti időkbena kozmológiai állandó elhanyagolható lenne. Később az anyag sűrűsége lényegében nulla lesz, és az univerzum üres lesz. Abban a rövid kozmológiai korszakban élünk, amikor az anyag és a vákuum is hasonló nagyságú.
Az anyagkomponensen belül láthatóan barionok és nem-barion források is vannak, mindkettő összehasonlítható (legalábbis az arányuk nem függ az időtől). Ez az elmélet meginog természetellenességének súlya alatt, de ennek ellenére jóval a versenytárs előtt halad át a célvonalon, így jól illeszkedik az adatokhoz.
A forgatókönyv megerősítése (vagy cáfolata) mellett a kozmológusok és fizikusok számára az elkövetkező évek fő kihívása az lesz, hogy megértsék, hogy univerzumunk e látszólag kellemetlen aspektusai egyszerűen elképesztő véletlenek-e, vagy valójában az alapvető struktúrát tükrözik-e. még nem értem.
Ha szerencsénk van, minden, ami most természetellenesnek tűnik, kulcsot jelent az alapvető fizika mélyebb megértéséhez.
