Pada awal abad ke-20, seorang saintis muda bernama Albert Einstein melihat sifat-sifat cahaya dan jisim dan bagaimana ia berkaitan antara satu sama lain. Hasil renungan beliau ialah teori relativiti. Kerjanya mengubah fizik dan astronomi moden dengan cara yang masih dirasakan hari ini. Setiap pelajar mengkaji persamaan E=MC2 mereka yang terkenal untuk memahami bagaimana jisim dan tenaga berkaitan. Ini adalah salah satu fakta asas kewujudan kosmos.
Apakah pemalar kosmologi?
Sedalam-dalamnya persamaan Einstein untuk relativiti am, ia mengemukakan masalah. Dia berusaha untuk menerangkan bagaimana jisim dan cahaya wujud di alam semesta, bagaimana interaksi mereka boleh membawa kepada alam semesta statik (iaitu, tidak mengembang). Malangnya, persamaannya meramalkan bahawa ia sama ada akan menguncup atau mengembang, dan akan terus melakukannya selama-lamanya, tetapi akhirnya akan mencapai titik di mana ia akan menguncup.
Rasanya tidak sesuai baginya, jadi Einstein terpaksa menerangkan cara untuk menahan graviti,untuk menerangkan alam semesta statik. Lagipun, kebanyakan ahli fizik dan ahli astronomi pada zamannya hanya menganggap bahawa ini berlaku. Jadi Einstein mencipta faktor Fudge, yang dipanggil "pemalar kosmologi," yang memberikan susunan kepada persamaan dan menghasilkan alam semesta yang tidak mengembang mahupun mengecut. Dia datang dengan tanda "lambda" (huruf Yunani), menandakan ketumpatan tenaga dalam vakum ruang. Ia mengawal pengembangan, dan kekurangannya menghentikan proses ini. Kini faktor diperlukan untuk menjelaskan teori kosmologi.
Bagaimana untuk mengira?
Albert Einstein membentangkan versi pertama teori umum relativiti (GR) kepada umum pada 25 November 1915. Persamaan asal Einstein kelihatan seperti ini:
Dalam dunia moden, pemalar kosmologi ialah:
Persamaan ini menerangkan teori relativiti. Selain itu, pemalar juga dipanggil ahli lambda.
Galaksi dan Alam Semesta yang semakin berkembang
Pemalar kosmologi tidak membetulkan perkara seperti yang dia jangkakan. Sebenarnya, ia berjaya, tetapi hanya untuk seketika. Masalah pemalar kosmologi belum dapat diselesaikan.
Ini berterusan sehingga seorang lagi saintis muda, Edwin Hubble, membuat pemerhatian mendalam terhadap bintang berubah-ubah di galaksi yang jauh. Kelipan mereka mendedahkan jarak ke struktur kosmik ini dan banyak lagi.
Karya Hubble telah ditunjukkanbukan sahaja alam semesta termasuk banyak galaksi lain, tetapi ternyata, ia berkembang, dan kini kita tahu bahawa kadar proses ini berubah dari semasa ke semasa. Ini sebahagian besarnya mengurangkan pemalar kosmologi Einstein kepada sifar, dan saintis hebat itu terpaksa menyemak semula andaiannya. Penyelidik tidak meninggalkannya sepenuhnya. Walau bagaimanapun, Einstein kemudiannya memanggil menambah pemalarnya kepada relativiti am sebagai kesilapan terbesar dalam hidupnya. Tetapi adakah ia?
Pemalar kosmologi baharu
Pada tahun 1998, sepasukan saintis yang bekerja dengan Teleskop Angkasa Hubble, mengkaji supernova jauh, mendapati sesuatu yang tidak dijangka sama sekali: pengembangan alam semesta semakin pantas. Selain itu, kadar proses itu bukanlah seperti yang mereka jangkakan dan telah berlaku pada masa lalu.
Memandangkan alam semesta dipenuhi dengan jisim, nampaknya logik bahawa pengembangan harus perlahan, walaupun ia sangat kecil. Oleh itu, penemuan ini seolah-olah bercanggah dengan apa yang diramalkan oleh persamaan dan pemalar kosmologi Einstein. Ahli astronomi tidak memahami bagaimana untuk menerangkan pecutan jelas pengembangan. Mengapa, bagaimana ini berlaku?
Jawapan kepada soalan
Untuk menjelaskan pecutan dan tanggapan kosmologi mengenainya, saintis telah kembali kepada idea teori asal.
Spekulasi terbaru mereka tidak menolak kewujudan sesuatu yang dipanggil tenaga gelap. Ia adalah sesuatu yang tidak dapat dilihat atau dirasai, tetapi kesannya boleh diukur. Ia sama dengan gelapjirim: kesannya boleh ditentukan melalui cara ia mempengaruhi cahaya dan jirim yang boleh dilihat.
Ahli astronomi mungkin belum tahu apa itu tenaga gelap. Walau bagaimanapun, mereka tahu bahawa ia menjejaskan pengembangan alam semesta. Untuk memahami proses ini, lebih banyak masa diperlukan untuk pemerhatian dan analisis. Mungkin teori kosmologi bukanlah idea yang buruk? Lagipun, ia boleh dijelaskan dengan mengandaikan bahawa tenaga gelap memang wujud. Nampaknya, ini benar dan saintis perlu mencari penjelasan lanjut.
Apa yang berlaku pada mulanya?
Model kosmologi asal Einstein ialah model homogen statik dengan geometri sfera. Kesan graviti jirim menyebabkan pecutan dalam struktur ini, yang tidak dapat dijelaskan oleh Einstein, kerana pada masa itu tidak diketahui bahawa alam semesta sedang mengembang. Oleh itu, saintis memperkenalkan pemalar kosmologi ke dalam persamaan relativiti amnya. Pemalar ini digunakan untuk mengatasi tarikan graviti jirim, oleh itu ia telah digambarkan sebagai kesan anti-graviti.
Omega Lambda
Daripada pemalar kosmologi itu sendiri, penyelidik sering merujuk kepada hubungan antara ketumpatan tenaga yang disebabkan olehnya dan ketumpatan kritikal alam semesta. Nilai ini biasanya dilambangkan seperti berikut: ΩΛ. Dalam alam semesta yang rata, ΩΛ sepadan dengan sebahagian kecil daripada ketumpatan tenaganya, yang juga dijelaskan oleh pemalar kosmologi.
Perhatikan bahawa takrifan ini berkaitan dengan ketumpatan kritikal zaman semasa. Ia berubah dari semasa ke semasa, tetapi ketumpatantenaga, disebabkan pemalar kosmologi, kekal tidak berubah sepanjang sejarah alam semesta.
Mari kita pertimbangkan lebih lanjut bagaimana saintis moden membangunkan teori ini.
Bukti kosmologi
Kajian semasa tentang alam semesta yang memecut kini sangat aktif, dengan banyak eksperimen berbeza meliputi skala masa, skala panjang dan proses fizikal yang sangat berbeza. Model CDM kosmologi telah dicipta, di mana Alam Semesta adalah rata dan mempunyai ciri-ciri berikut:
- ketumpatan tenaga, iaitu kira-kira 4% daripada jirim baryonic;
- 23% jirim gelap;
- 73% daripada pemalar kosmologi.
Hasil pemerhatian kritikal yang membawa pemalar kosmologi kepada kepentingan semasa ialah penemuan bahawa supernova Jenis Ia (0<z<1) jauh yang digunakan sebagai lilin standard adalah lebih lemah daripada yang dijangkakan dalam alam semesta yang perlahan. Sejak itu, banyak kumpulan telah mengesahkan keputusan ini dengan lebih banyak supernova dan julat anjakan merah yang lebih luas.
Mari terangkan dengan lebih terperinci. Yang paling penting dalam pemikiran kosmologi semasa ialah pemerhatian bahawa supernova anjakan merah yang sangat tinggi (z>1) adalah lebih cerah daripada yang dijangkakan, yang merupakan tandatangan yang dijangka daripada masa nyahpecutan yang membawa kepada tempoh pecutan semasa kami. Sebelum keluaran keputusan supernova pada tahun 1998, sudah ada beberapa baris bukti yang membuka jalan untuk agak cepatpenerimaan teori pecutan Alam Semesta dengan bantuan supernova. Khususnya, tiga daripadanya:
- Alam semesta ternyata lebih muda daripada bintang tertua. Evolusi mereka telah dikaji dengan baik, dan pemerhatian terhadap mereka dalam kelompok globular dan di tempat lain menunjukkan bahawa formasi tertua berusia lebih 13 bilion tahun. Kita boleh membandingkannya dengan usia alam semesta dengan mengukur kadar pengembangannya hari ini dan menelusuri kembali ke zaman Letupan Besar. Jika alam semesta menjadi perlahan kepada kelajuan semasa, maka umur akan menjadi kurang daripada jika ia dipercepatkan kepada kadar semasa. Alam semesta yang rata dan jirim sahaja akan berusia kira-kira 9 bilion tahun, masalah utama memandangkan ia adalah beberapa bilion tahun lebih muda daripada bintang tertua. Sebaliknya, alam semesta rata dengan 74% pemalar kosmologi akan berusia kira-kira 13.7 bilion tahun. Oleh itu, melihat bahawa dia sedang mempercepatkan menyelesaikan paradoks umur.
- Terlalu banyak galaksi jauh. Bilangan mereka telah digunakan secara meluas dalam percubaan untuk menganggarkan nyahpecutan pengembangan Alam Semesta. Jumlah ruang antara dua anjakan merah berbeza bergantung pada sejarah pengembangan (untuk sudut pepejal tertentu). Menggunakan bilangan galaksi antara dua anjakan merah sebagai ukuran isipadu ruang, pemerhati telah menentukan bahawa objek jauh kelihatan terlalu besar berbanding ramalan alam semesta yang perlahan. Sama ada kecerahan galaksi atau bilangannya bagi setiap unit isipadu berkembang dari semasa ke semasa dengan cara yang tidak dijangka, atau volum yang kami kira adalah salah. Perkara yang mempercepatkan bolehakan menerangkan pemerhatian tanpa mencetuskan sebarang teori aneh evolusi galaksi.
- Kerataan alam semesta yang dapat dilihat (walaupun bukti tidak lengkap). Menggunakan pengukuran turun naik suhu dalam latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), sejak zaman alam semesta berusia kira-kira 380,000 tahun, dapat disimpulkan bahawa ia rata dari segi ruang hingga dalam beberapa peratus. Dengan menggabungkan data ini dengan ukuran ketumpatan jirim yang tepat di alam semesta, menjadi jelas bahawa ia hanya mempunyai kira-kira 23% daripada ketumpatan kritikal. Satu cara untuk menerangkan ketumpatan tenaga yang hilang adalah dengan menggunakan pemalar kosmologi. Ternyata, jumlah tertentu hanya diperlukan untuk menjelaskan pecutan yang diperhatikan dalam data supernova. Ini hanyalah faktor yang diperlukan untuk menjadikan alam semesta rata. Oleh itu, pemalar kosmologi menyelesaikan percanggahan yang jelas antara pemerhatian ketumpatan jirim dan CMB.
Apa gunanya?
Untuk menjawab soalan yang timbul, pertimbangkan perkara berikut. Mari cuba terangkan maksud fizikal pemalar kosmologi.
Kami mengambil persamaan GR-1917 dan meletakkan tensor metrik gab daripada kurungan. Oleh itu, di dalam kurungan kita akan mempunyai ungkapan (R / 2 - Λ). Nilai R diwakili tanpa indeks - ini adalah kelengkungan skalar biasa. Jika anda menerangkan pada jari - ini adalah salingan jejari bulatan / sfera. Ruang rata sepadan dengan R=0.
Dalam tafsiran ini, nilai bukan sifar Λ bermakna Alam Semesta kita melengkungdengan sendirinya, termasuk jika tiada graviti. Walau bagaimanapun, kebanyakan ahli fizik tidak mempercayai perkara ini dan percaya bahawa kelengkungan yang diperhatikan mesti mempunyai beberapa punca dalaman.
Jirim gelap
Istilah ini digunakan untuk perkara hipotesis di alam semesta. Ia direka untuk menerangkan banyak masalah dengan model kosmologi Big Bang standard. Ahli astronomi menganggarkan bahawa kira-kira 25% alam semesta terdiri daripada jirim gelap (mungkin terhimpun daripada zarah tidak standard seperti neutrino, aksion, atau Zarah Besar Berinteraksi Lemah [WIMP]). Dan 70% Alam Semesta dalam model mereka terdiri daripada tenaga gelap yang lebih kabur, hanya tinggal 5% untuk perkara biasa.
Kosmologi penciptaan
Pada tahun 1915, Einstein menyelesaikan masalah penerbitan teori relativiti amnya. Dia menunjukkan bahawa presesi anomali adalah akibat daripada cara graviti memesongkan ruang dan masa serta mengawal pergerakan planet apabila ia berada sangat dekat dengan jasad besar, di mana kelengkungan angkasa paling ketara.
Graviti Newton bukanlah penerangan yang sangat tepat tentang gerakan planet. Terutama apabila kelengkungan ruang bergerak menjauhi kerataan Euclidean. Dan relativiti am menerangkan tingkah laku yang diperhatikan hampir tepat. Oleh itu, jirim gelap, yang dicadangkan oleh sesetengah pihak berada dalam lingkaran jirim yang tidak kelihatan di sekeliling Matahari, mahupun planet Vulcan itu sendiri, tidak diperlukan untuk menjelaskan anomali itu.
Kesimpulan
Pada hari-hari awalpemalar kosmologi akan diabaikan. Pada masa-masa kemudian, ketumpatan jirim pada dasarnya akan menjadi sifar, dan alam semesta akan kosong. Kita hidup dalam zaman kosmologi yang singkat apabila jirim dan vakum mempunyai magnitud yang setanding.
Dalam komponen perkara, nampaknya, terdapat sumbangan daripada kedua-dua baryon dan sumber bukan baryon, kedua-duanya adalah setanding (sekurang-kurangnya, nisbahnya tidak bergantung pada masa). Teori ini bergoyang-goyang di bawah beratnya yang luar biasa, tetapi bagaimanapun melintasi garisan penamat jauh lebih awal daripada persaingan, jadi ia sesuai dengan data.
Selain mengesahkan (atau menafikan) senario ini, cabaran utama ahli kosmologi dan fizik pada tahun-tahun akan datang adalah untuk memahami sama ada aspek-aspek alam semesta kita yang kelihatan tidak menyenangkan ini hanyalah kebetulan yang menakjubkan atau sebenarnya mencerminkan struktur asas yang kita belum faham.
Jika kita bernasib baik, segala yang kelihatan tidak wajar sekarang akan menjadi kunci kepada pemahaman yang lebih mendalam tentang fizik asas.
