Космологічна постійна: поняття, визначення, формула розрахунку і проблеми

На початку 20 століття молодий учений на ім’я Альберт Ейнштейн розглядав властивості світла і маси, і те, як вони пов’язані один з одним. Результатом його роздумів стала теорія відносності. Його роботи змінили сучасну фізику і астрономію так, як це відчувається досі. Кожен студент вивчає своє знамените рівняння E = MC2, щоб зрозуміти, як пов’язана між собою маса і енергія. Це один з фундаментальних фактів існування космосу.

Що таке космологічна постійна?

Як би ні були глибокі рівняння Ейнштейна для загальної теорії відносності, вони представляли проблему. Він прагнув пояснити, як маса і світ існують у Всесвіті, їх взаємодія може призвести до статичної (тобто не розширюється) Всесвіту. На жаль, його рівняння передбачали, що вона або стискається або розширюється, і це буде відбуватися вічно, але, врешті-решт, досягне точки, коли почне скорочуватися.

Це не здавалося йому правильним, тому Ейнштейну потрібно було пояснити спосіб утримати гравітацію, щоб пояснити статичну всесвіт. Зрештою, більшість фізиків і астрономів його часу просто припускала, що це так і є. Отже, Ейнштейн винайшов фактор Фаджа, званий “космологічною сталою”, який надав рівнянь порядок і привів до не розширюється і не стискуваної Всесвіту. Він придумав знак “лямбда” (грецька буква), що позначає щільність енергії в вакуумі простору. Вона керує розширенням, а її брак зупиняє цей процес. Тепер потрібен був фактор, щоб пояснити космологічну теорію.

Як вирахувати?

Першу версію загальної теорії відносності (ЗТВ) Альберт Ейнштейн представив публіці 25 листопада 1915 року. В оригіналі рівняння Ейнштейна виглядали ось так:

У сучасному світі космологічна постійна дорівнює:

Це рівняння описує теорію відносності. Також константу ще називають лямбда-член.

Галактики і Всесвіт розширюється

Космологічна константа не виправила все так, як він очікував. Насправді, це спрацювало, але лише на деякий час. Проблема космологічної постійної не була вирішена.

Це продовжувалося до тих пір, поки інший молодий вчений, Едвін Хаббл, не зробив глибоке спостереження змінних зірок в далеких галактиках. Їх мерехтіння показало відстані до цих космічних структур і багато що інше.

Робота Хаббла продемонструвала не тільки те, що Всесвіт включала в себе безліч інших галактик, але, як виявилося, вона розширювалася, і тепер ми знаємо, що швидкість цього процесу змінюється з плином часу. Це значною мірою зменшило космологічну константу Ейнштейна до нуля, і великому вченому довелося переглянути свої припущення. Дослідники не відмовилися від неї повністю. Проте пізніше Ейнштейн назвав додавання своїй постійній до загальної теорії відносності найбільшою помилкою в житті. Але чи це так?

Нова космологічна константа

У 1998 році команда вчених, що працюють з космічним телескопом Хаббла, вивчаючи далекі наднові, помітила щось зовсім несподіване: розширення Всесвіту прискорюється. Більш того, темпи процесу не такі, як вони чекали, і в минулому були іншими.

Дивіться також:  Вертихвістка - це кокетка чи звір?

Враховуючи, що Всесвіт заповнена масою, здається логічним, що розширення має сповільнюватися, навіть якщо б воно було таким незначним. Таким чином, це відкриття, здавалося, суперечило тому, що передбачали рівняння і космологічна постійна Ейнштейна. Астрономи не розуміли, як пояснити очевидне прискорення розширення. Чому це відбувається?

Відповіді на питання

Щоб пояснити прискорення та космологічні уявлення про це, вчені повернулися до ідеї первісної теорії.

Останні припущення не виключають існування того, що називається темною енергією. Це те, що можна побачити або відчути, але його наслідки можна виміряти. Це те ж саме, що і темна матерія: її вплив можна визначити по тому, як вона впливає на світло і видиму матерію.

Астрономи, можливо, ще не знають, що таке ця темна енергія. Проте вони знають, що вона впливає на розширення Всесвіту. Щоб зрозуміти ці процеси, необхідно більше часу на спостереження і аналіз. Може бути, космологічна теорія не така вже погана ідея? Зрештою, її можна пояснити, якщо припустити, що темна енергія все-таки існує. Мабуть, це так і ученим потрібно шукати подальші пояснення.

Що було на початку?

Первісна космологічна модель Ейнштейна була статичної однорідної моделлю зі сферичною геометрією. Гравітаційний ефект матерії викликав прискорення в цій структурі, якого Ейнштейн не міг пояснити, так як в той час не було відомо, що Всесвіт розширюється. Тому вчений ввів космологічну постійну в свої рівняння загальної теорії відносності. Ця постійна застосовується, щоб протидіяти гравітаційному тяжінню матерії, і тому вона була описана як антигравітаційний ефект.

Омега Лямбда

Замість самої космологічної постійної дослідники часто посилаються на співвідношення між щільністю енергії, обумовленої нею, та критичною густиною Всесвіту. Це значення зазвичай позначається так: ΩΛ. У плоскій Всесвіту ΩΛ відповідає частці її щільності енергії, що також пояснюється космологічної постійної.

Зазначимо, що це визначення пов’язано з критичною щільністю нинішньої епохи. Вона змінюється з плином часу, але щільність енергії, обумовлена космологічною сталою залишається незмінною протягом всієї історії Всесвіту.

Розглянемо далі, як розвивають цю теорію сучасні вчені.

Космологічне доказ

Нинішнє вивчення Всесвіту прискорюється тепер дуже активно проводиться, з безліччю різних експериментів, що охоплюють абсолютно різні часові шкали, масштаби довжини і фізичні процеси. Створена космологічна модель CDM, в якій Всесвіт плоска і має такі характеристики:

  • щільність енергії, що становить близько 4% баріонної матерії;
  • 23% темної матерії;
  • 73% космологічної постійної.

Критичним результатом спостережень, який привів космологічну константу до її сучасної значущості, стало відкриття, що далекі наднові типу Ia (0<z<1), що використовуються в якості стандартних свічок, були слабкіше, ніж очікувалося в сповільнення Всесвіту. З тих пір багато групи підтвердили цей результат з великою кількістю нових і більш широким діапазоном червоних зміщень.

Дивіться також:  «Пліткувати» – це про любов до пліток

Пояснимо докладніше. Особливе значення в сучасної космологічної концепції мають спостереження того, що наднові з надзвичайно високим червоним зміщенням (z>1) яскравіше, ніж очікувалося, що є сигнатурою, яка очікується від уповільнення часу, що передує нашому поточного періоду прискорення. До виходу в 1998 році результатів дослідження найновіших вже існувало кілька ліній доказів, які проклали шлях до відносно швидкого прийняття теорії прискорення Всесвіту з допомогою найновіших. Зокрема, три з них:

  • Всесвіт виявилася молодше найстаріших зірок. Еволюція їх добре вивчена, і спостереження їх у кульових скупченнях та інших місцях показують, що найстарішим утворенням більше 13 мільярдів років. Ми можемо порівняти це з віком Всесвіту, вимірюючи швидкість розширення її сьогодні і простежуючи до часу Великого вибуху. Якщо б Всесвіт сповільнилася до своєї поточної швидкості, то вік був би менше, ніж, якби вона прискорилася до нинішнього показника. Плоска Всесвіт, що складається тільки з матерії, буде мати вік близько 9 млрд років – серйозна проблема, враховуючи, що вона на кілька мільярдів років молодше найстаріших зірок. З іншого боку, плоскою Всесвіту з 74% космологічної постійної було б близько 13,7 млрд років. Таким чином, спостереження, що вона в даний час прискорюється, вирішило вікової парадокс.
  • Занадто багато далеких галактик. Число їх вже широко використовувалося в спробах оцінити уповільнення розширення Всесвіту. Обсяг простору між двома червоними зміщеннями відрізняється в залежності від історії розширення (для заданого тілесного кута). Використовуючи число галактик між двома червоними зміщеннями в якості міри об’єму простору, спостерігачі визначили, що віддалені об’єкти здаються занадто великими порівняно з передбаченнями сповільнення Всесвіту. Або світність галактик, або їх кількість на одиницю обсягу еволюціонували з часом несподіваним чином, або обсяги, які ми обчислювали, були невірними. Прискорюватися матерія могла б пояснити спостереження, не викликаючи ніякої дивною теорії еволюції галактик.
  • Спостережувана площинність Всесвіту (незважаючи на неповні докази). Використовуючи вимірювання температурних флуктуацій в космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні (CMB), починаючи з того часу, коли Всесвіту було приблизно 380 000 років, можна зробити висновок, що вона просторово-плоска в межах декількох відсотків. Шляхом поєднання цих даних з точним виміром щільності матерії Всесвіту стає ясно, що вона має лише близько 23% від критичної щільності. Один із способів пояснити відсутню щільність енергії – застосувати космологічну константу. Як виявилося, деяка кількість її просто необхідно для пояснення прискорення, спостережуваного за даними наднової. Це стало саме тим фактором, який потрібен, щоб зробити всесвіт плоскою. Тому космологічна константа дозволила явне протиріччя між спостереженнями щільності матерії і CMB.
  • У чому ж полягає сенс?

    Щоб відповісти на виникаючі питання, розглянемо наступне. Спробуємо пояснити фізичний зміст космологічної постійної.

    Дивіться також:  Бінарні опозиції: визначення, особливості та цікаві факти

    Беремо рівняння ОТО-1917 і виносимо за дужки метричний тензор gab. Отже, всередині дужок у нас залишиться вираз (R/2 — Λ). Значення R видається без індексів — це звичайна, скалярна кривизна. Якщо пояснювати на пальцях — це число, протилежне радіусу окружності/сфери. Плоскому простору відповідає R = 0.

    У такій трактуванні ненульове значення Λ означає, що наш Всесвіт викривлена сама по собі, в тому числі і за відсутності будь-якого тяжіння. Однак більшість фізиків у це не вірять і вважають, що це викривлення повинна бути якась внутрішня причина.

    Темна матерія

    Цей термін застосовується для гіпотетичного речовини у Всесвіті. Він покликаний пояснити масу проблем стандартної космологічної моделі Великого вибуху. Астрономи припускають, що близько 25% Всесвіту складається з темної матерії (можливо, зібраної з нестандартних частинок, таких як нейтрино, аксіони або слабо взаємодіючі масивні частинки [WIMPs]). А 70% Всесвіту в їх моделях складається з ще більш незрозумілою темної енергії, залишаючи лише 5% на звичайну матерію.

    Креаціоністська космологія

    У 1915 році Ейнштейн вирішив проблему з публікацією своєї загальної теорії відносності. Вона показала, що аномальна прецесія є наслідком того, як гравітація спотворює простір і час і контролює руху планет, коли вони особливо наближаються до масивних тіл, де кривизна простору найбільш виражена.

    Ньютоновская гравітація не є достатньо точним описом руху планет. Особливо, коли кривизна простору відходить від Евклідової площини. А загальна теорія відносності пояснює спостережуване поведінку майже точно. Таким чином, ні темна матерія, яка, як деякі припускали, перебувала в невидимому кільці речовини навколо Сонця, ні сама планета Вулкан, не були необхідні для пояснення аномалії.

    Висновки

    У ранні часи космологічна константа була б незначна. У більш пізні щільність матерії буде по суті дорівнює нулю, а Всесвіт буде порожня. Ми живемо в ту коротку космологічну епоху, коли і матерія, і вакуум мають порівнянну величину.

    В рамках компоненту матерії, мабуть, є вклади і від баріонів, і від небарионного джерела, обидва вони співставні (принаймні, їх співвідношення не залежить від часу). Ця теорія хитається під тягарем своєї неприродності, але, тим не менш, перетинає фінішну лінію набагато раніше за конкурентів, так добре вона погоджена з даними.

    Крім підтвердження (або спростування) цього сценарію, головне завдання космологів і фізиків в майбутні роки буде полягати в тому, щоб зрозуміти, чи є ці, мабуть, неприємні аспекти нашого Всесвіту просто дивними збігами чи насправді відображають базову структуру, яку ми ще не розуміємо.

    Якщо нам пощастить, то все, що здається зараз неприродним, послужить ключем до глибшого розуміння фундаментальної фізики.