Začiatkom 20. storočia sa mladý vedec Albert Einstein zaoberal vlastnosťami svetla a hmoty a ich vzájomným vzťahom. Výsledkom jeho úvah bola teória relativity. Jeho práca zmenila modernú fyziku a astronómiu spôsobom, ktorý je cítiť dodnes. Každý študent si preštuduje svoju slávnu rovnicu E=MC2, aby pochopil, ako súvisí hmotnosť a energia. Toto je jeden zo základných faktov existencie vesmíru.
Čo je kozmologická konštanta?
Akokoľvek boli Einsteinove rovnice pre všeobecnú teóriu relativity tak hlboké, predstavovali problém. Snažil sa vysvetliť, ako existuje hmota a svetlo vo vesmíre, ako môže ich vzájomné pôsobenie viesť k statickému (teda nerozpínajúcemu sa) vesmíru. Bohužiaľ, jeho rovnice predpovedali, že sa buď zmršťuje, alebo rozťahuje, a bude to tak robiť navždy, ale nakoniec dosiahne bod, kedy sa zmrští.
Nezdalo sa mu to správne, takže Einstein musel vysvetliť spôsob, ako udržať gravitáciu,na vysvetlenie statického vesmíru. Koniec koncov, väčšina fyzikov a astronómov svojej doby jednoducho predpokladala, že je to tak. Einstein teda vynašiel Fudgeov faktor, nazývaný „kozmologická konštanta“, ktorý dal rovnicám poriadok a výsledkom bol vesmír, ktorý sa ani nerozpína, ani nezmršťuje. Prišiel so znakom „lambda“(grécke písmeno), označujúci hustotu energie vo vesmírnom vákuu. Kontroluje expanziu a jej nedostatok tento proces zastaví. Teraz bol potrebný faktor na vysvetlenie kozmologickej teórie.
Ako vypočítať?
Albert Einstein predstavil verejnosti prvú verziu všeobecnej teórie relativity (GR) 25. novembra 1915. Pôvodné Einsteinove rovnice vyzerali takto:
V modernom svete je kozmologická konštanta:
Táto rovnica popisuje teóriu relativity. Konštanta sa tiež nazýva člen lambda.
Galaxie a rozširujúci sa vesmír
Kozmologická konštanta nevyriešila veci tak, ako očakával. V skutočnosti to fungovalo, ale len chvíľu. Problém kozmologickej konštanty nebol vyriešený.
Pokračovalo to, kým ďalší mladý vedec, Edwin Hubble, nevykonal hlboké pozorovanie premenných hviezd vo vzdialených galaxiách. Ich blikanie odhalilo vzdialenosti týchto kozmických štruktúr a ďalšie.
Hubbleova práca ukázalanielen že vesmír zahŕňal mnoho iných galaxií, ale ako sa ukázalo, rozpínal sa a teraz vieme, že rýchlosť tohto procesu sa časom mení. To do značnej miery znížilo Einsteinovu kozmologickú konštantu na nulu a veľký vedec musel svoje predpoklady revidovať. Výskumníci to úplne neopustili. Einstein však neskôr označil pridanie jeho konštanty do všeobecnej teórie relativity za najväčšiu chybu svojho života. Ale je to tak?
Nová kozmologická konštanta
V roku 1998 si tím vedcov pracujúcich s Hubbleovým vesmírnym teleskopom, ktorí študovali vzdialené supernovy, všimol niečo úplne neočakávané: rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje. Navyše tempo procesu nie je také, aké očakávali a aké bolo v minulosti.
Vzhľadom na to, že vesmír je naplnený hmotou, zdá sa logické, že expanzia by sa mala spomaliť, aj keby bola taká malá. Zdá sa teda, že tento objav je v rozpore s tým, čo predpovedali rovnice a Einsteinova kozmologická konštanta. Astronómovia nechápali, ako vysvetliť zjavné zrýchlenie expanzie. Prečo, ako sa to deje?
Odpovede na otázky
Na vysvetlenie zrýchlenia a kozmologických predstáv o ňom sa vedci vrátili k myšlienke pôvodnej teórie.
Ich najnovšie špekulácie nevylučujú existenciu niečoho, čo sa nazýva temná energia. Je to niečo, čo nemožno vidieť ani cítiť, ale jeho účinky sa dajú zmerať. Je to rovnaké ako tmahmota: jej účinok možno určiť podľa toho, ako ovplyvňuje svetlo a viditeľnú hmotu.
Astronómovia možno ešte nevedia, čo je táto temná energia. Vedia však, že to ovplyvňuje rozpínanie vesmíru. Na pochopenie týchto procesov je potrebný dlhší čas na pozorovanie a analýzu. Možno nakoniec kozmologická teória nie je až taký zlý nápad? Koniec koncov, dá sa to vysvetliť predpokladom, že temná energia skutočne existuje. Zdá sa, že je to pravda a vedci musia hľadať ďalšie vysvetlenia.
Čo sa stalo na začiatku?
Einsteinov pôvodný kozmologický model bol statický homogénny model so sférickou geometriou. Gravitačný účinok hmoty spôsobil zrýchlenie tejto štruktúry, čo Einstein nevedel vysvetliť, keďže v tom čase nebolo známe, že sa vesmír rozpína. Preto vedec zaviedol kozmologickú konštantu do svojich rovníc všeobecnej relativity. Táto konštanta sa aplikuje na pôsobenie proti gravitačnej príťažlivosti hmoty, a preto bola opísaná ako antigravitačný efekt.
Omega Lambda
Namiesto samotnej kozmologickej konštanty sa výskumníci často odvolávajú na vzťah medzi hustotou energie spôsobenej ňou a kritickou hustotou vesmíru. Táto hodnota sa zvyčajne označuje takto: ΩΛ. V plochom vesmíre ΩΛ zodpovedá zlomku jeho hustoty energie, čo je tiež vysvetlené kozmologickou konštantou.
Všimnite si, že táto definícia súvisí s kritickou hustotou súčasnej epochy. Časom sa to mení, ale hustotaenergia v dôsledku kozmologickej konštanty zostáva nezmenená počas celej histórie vesmíru.
Pozrime sa ďalej, ako moderní vedci rozvíjajú túto teóriu.
Kozmologický dôkaz
Súčasná štúdia zrýchľujúceho sa vesmíru je teraz veľmi aktívna, s mnohými rôznymi experimentmi pokrývajúcimi výrazne odlišné časové, dĺžkové a fyzikálne procesy. Bol vytvorený kozmologický model CDM, v ktorom je vesmír plochý a má nasledujúce charakteristiky:
- hustota energie, čo je asi 4 % baryónovej hmoty;
- 23 % temnej hmoty;
- 73 % kozmologickej konštanty.
Kritickým výsledkom pozorovania, ktorý priviedol kozmologickú konštantu k jej súčasnému významu, bol objav, že vzdialené supernovy typu Ia (0<z<1) používané ako štandardné sviečky boli slabšie, než sa očakávalo v spomaľujúcom sa vesmíre. Odvtedy mnohé skupiny potvrdili tento výsledok väčším počtom supernov a širším rozsahom červených posunov.
Vysvetlime si to podrobnejšie. V súčasnom kozmologickom myslení sú mimoriadne dôležité pozorovania, že supernovy s extrémne vysokým červeným posunom (z>1) sú jasnejšie, ako sa očakávalo, čo je znak, ktorý sa očakáva od času spomalenia vedúceho k našej súčasnej perióde zrýchlenia. Pred zverejnením výsledkov supernov v roku 1998 už existovalo niekoľko dôkazov, ktoré vydláždili cestu k relatívne rýchlemuprijatie teórie o zrýchlení vesmíru pomocou supernov. Konkrétne tri z nich:
- Ukázalo sa, že vesmír je mladší ako najstaršie hviezdy. Ich vývoj bol dobre preštudovaný a ich pozorovania v guľových hviezdokopách a inde ukazujú, že najstaršie útvary sú staršie ako 13 miliárd rokov. Môžeme to porovnať s vekom vesmíru meraním rýchlosti jeho expanzie dnes a vysledovaním späť do doby Veľkého tresku. Ak by sa vesmír spomalil na súčasnú rýchlosť, potom by bol vek kratší, ako keby sa zrýchlil na súčasnú rýchlosť. Plochý vesmír obsahujúci iba hmotu by bol starý asi 9 miliárd rokov, čo je veľký problém, ak vezmeme do úvahy, že je o niekoľko miliárd rokov mladší ako najstaršie hviezdy. Na druhej strane, plochý vesmír so 74 % kozmologickej konštanty by bol starý asi 13,7 miliardy rokov. Takže vidieť, že momentálne zrýchľuje, vyriešil vekový paradox.
- Príliš veľa vzdialených galaxií. Ich počet už bol široko používaný pri pokusoch odhadnúť spomalenie rozpínania vesmíru. Veľkosť priestoru medzi dvoma červenými posunmi sa líši v závislosti od histórie expanzie (pre daný priestorový uhol). Použitím počtu galaxií medzi dvoma červenými posunmi ako mierou objemu vesmíru pozorovatelia zistili, že vzdialené objekty sa zdajú byť príliš veľké v porovnaní s predpoveďami spomaľujúceho sa vesmíru. Buď sa svietivosť galaxií alebo ich počet na jednotku objemu časom vyvíjali neočakávaným spôsobom, alebo objemy, ktoré sme vypočítali, boli nesprávne. Urýchľujúca záležitosť by mohlaby vysvetlil pozorovania bez spustenia akejkoľvek podivnej teórie vývoja galaxií.
- Pozorovateľná plochosť vesmíru (napriek neúplným dôkazom). Pomocou meraní kolísania teplôt v kozmickom mikrovlnnom pozadí (CMB) od čias, keď mal vesmír asi 380 000 rokov, možno usúdiť, že je priestorovo plochý s presnosťou na niekoľko percent. Spojením týchto údajov s presným meraním hustoty hmoty vo vesmíre je jasné, že má len asi 23 % kritickej hustoty. Jedným zo spôsobov, ako vysvetliť chýbajúcu hustotu energie, je použiť kozmologickú konštantu. Ako sa ukázalo, určité množstvo je jednoducho potrebné na vysvetlenie zrýchlenia pozorovaného v údajoch o supernove. Toto bol len faktor potrebný na to, aby bol vesmír plochý. Preto kozmologická konštanta vyriešila zjavný rozpor medzi pozorovaniami hustoty hmoty a CMB.
Aký to má zmysel?
Ak chcete odpovedať na otázky, ktoré vznikajú, zvážte nasledujúce. Pokúsme sa vysvetliť fyzikálny význam kozmologickej konštanty.
Vezmeme rovnicu GR-1917 a vyjmeme metrický tenzor gab zo zátvoriek. Preto v zátvorkách budeme mať výraz (R / 2 - Λ). Hodnota R je znázornená bez indexov - to je obvyklé skalárne zakrivenie. Ak vysvetlíte na prstoch - je to prevrátená hodnota polomeru kruhu / gule. Plochý priestor zodpovedá R=0.
V tejto interpretácii nenulová hodnota Λ znamená, že náš vesmír je zakrivenýsám o sebe, a to aj bez akejkoľvek gravitácie. Väčšina fyzikov tomu však neverí a verí, že pozorované zakrivenie musí mať nejakú vnútornú príčinu.
Temná hmota
Tento výraz sa používa pre hypotetickú hmotu vo vesmíre. Je navrhnutý tak, aby vysvetlil množstvo problémov so štandardným kozmologickým modelom Veľkého tresku. Astronómovia odhadujú, že asi 25 % vesmíru tvorí temná hmota (možno zostavená z neštandardných častíc, ako sú neutrína, axióny alebo slabo interagujúce masívne častice [WIMP]). A 70 % vesmíru v ich modeloch pozostáva z ešte nejasnejšej temnej energie, pričom len 5 % zostáva na obyčajnú hmotu.
Kreacionistická kozmológia
V roku 1915 Einstein vyriešil problém publikovania svojej všeobecnej teórie relativity. Ukázala, že anomálna precesia je dôsledkom toho, ako gravitácia deformuje priestor a čas a riadi pohyby planét, keď sú obzvlášť blízko masívnych telies, kde je zakrivenie priestoru najvýraznejšie.
Newtonovská gravitácia nie je veľmi presný popis pohybu planét. Najmä vtedy, keď sa zakrivenie priestoru vzďaľuje od euklidovskej rovinnosti. A všeobecná relativita vysvetľuje pozorované správanie takmer presne. Na vysvetlenie anomálie teda nebola potrebná ani temná hmota, o ktorej sa niektorí domnievajú, že sa nachádza v neviditeľnom prstenci hmoty okolo Slnka, ani samotná planéta Vulkán.
Závery
V prvých dňochkozmologická konštanta by bola zanedbateľná. V neskorších časoch bude hustota hmoty v podstate nulová a vesmír bude prázdny. Žijeme v tej krátkej kozmologickej epoche, keď hmota aj vákuum majú porovnateľnú veľkosť.
V rámci hmotnej zložky zrejme existujú príspevky z baryónov aj z nebaryónového zdroja, oba sú porovnateľné (aspoň ich pomer nezávisí od času). Táto teória sa kolíše pod váhou svojej neprirodzenosti, no napriek tomu prekročí cieľovú čiaru ďaleko pred konkurenciou, takže dobre sedí s údajmi.
Okrem potvrdenia (alebo vyvrátenia) tohto scenára bude hlavnou výzvou pre kozmológov a fyzikov v nasledujúcich rokoch pochopiť, či tieto zdanlivo nepríjemné aspekty nášho vesmíru sú jednoducho úžasné náhody, alebo v skutočnosti odrážajú základnú štruktúru, ktorú ešte nerozumiem.
Ak budeme mať šťastie, všetko, čo sa teraz zdá neprirodzené, poslúži ako kľúč k hlbšiemu pochopeniu základnej fyziky.
