Космологічна константа: поняття, визначення, формула розрахунку та проблеми

На початку 20 століття молодий вчений 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 відоме рівняння E = MC2, щоб зрозуміти, як пов`язана маса та енергія. Це один з фундаментальних фактів існування космосу.

Що таке космологічна постійна?

Настільки глибокі, як рівняння Ейнштейна для загальної теорії відносності, вони представляли проблему. Він прагнув пояснити, як маса і світло існують у Всесвіті, як їх взаємодія може призвести до статичного (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 статичний Всесвіт. Зрештою, більшість фізиків і астрономів свого часу просто припускали, що це так і є. Отже, Ейнштейн винайшов фактор Фаджа, який називається "космологічної постійної", який надав рівнянням порядок і призвів до Всесвіту, що не розширюється і не стискається. Він придумав знак "лямбда" (грецька буква), що позначає щільність енергії у вакуумі простору. Вона управляє розширенням, а її нестача зупиняє цей процес. Тепер потрібен був фактор, щоб пояснити космологічну теорію.

Як обчислити?

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

У сучасному світі космологічна постійна дорівнює:

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

Галактики та Всесвіт, що 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 тривало до тих пір, поки інший молодий вчений, Едвін Хаббл, не зробив глибокого спостереження змінних зірок у далеких галактиках. Їх мерехтіння показало відстані до цих космічних структур і багато іншого.

Робота Хаббла продемонструвала не тільки те, що Всесвіт включав 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. Однак пізніше Ейнштейн назвав додавання своєї постійної до загальної теорії відносності найбільшою помилкою в своєму житті. Але чи так це?

Нова космологічна константа

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

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

Відповіді на питання

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

Їх останні припущення не виключають існування того, що називається темною енергією. Це те, чого не можна побачити чи 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. Однак вони знають, що вона впливає на розширення Всесвіту. Щоб зрозуміти ці процеси, потрібно більше часу на спостереження та аналіз. Можливо, космологічна теорія не така вже й погана ідея? Зрештою, її можна пояснити, якщо припустити, що темна енергія все-таки існує. Мабуть, це так і вченим потрібно шукати подальші пояснення.

Що було на початку?

Оригінальна космологічна модель Ейнштейна була статичною однорідною моделлю зі сферичною геометрією. Гравітаційний ефект матерії викликав прискорення в цій структурі, якого Ейнштейн не міг пояснити, оскільки в той час не було відомо, що Всесвіт розширюється. Тому вчений ввів космологічну константу в свої рівняння загальної теорії відносності. Ця константа застосовується для протидії гравітаційному притяганню речовини, і тому вона була описана як антигравітаційний ефект.

Омега Лямбда

Замість самої космологічної константи дослідники часто посилаються на співвідношення між щільністю енергії, обумовленою нею, і критичною щільністю Всесвіту. Це значення зазвичай позначається так: ΩΛ. У плоскому Всесвіті ΩΛ відповідає частці щільності його енергії, що також пояснюється космологічною константою.

Відзначимо, що це визначення пов`язане з критичною щільністю нинішньої епохи. Вона змінюється з плином часу, але щільність енергії, обумовлена космологічної постійної, залишається незмінною протягом всієї історії Всесвіту.

Розглянемо далі, як розвивають цю теорію сучасні вчені.

Космологічний доказ

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

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

Критичним результатом спостережень, який привів космологічну константу до її сучасної значущості, стало відкриття, що далекі наднові типу Ia (0

Пояснимо детальніше. Особливе значення в сучасній космологічній концепції мають спостереження того, що наднові з надзвичайно високим червоним зміщенням (z>1) яскравіше, ніж очікувалося, що є підписом, який очікується від часу уповільнення, що передує нашому поточному періоду прискорення. До виходу в 1998 році результатів дослідження наднових вже існувало кілька ліній доказів, які проклали шлях до відносно швидкого прийняття теорії прискорення Всесвіту за допомогою наднових. Зокрема, три з них:

1. Всесвіт виявився молодшим 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 його розширення сьогодні і простежуючи до часу Великого вибуху. Якби Всесвіт сповільнилася до своєї поточної швидкості, то вік був би менше, ніж, якби вона прискорилася до нинішнього показника. Плоский Всесвіт, що складається тільки з матерії, матиме вік близько 9 млрд років-серйозна проблема, враховуючи, що вона на кілька мільярдів років молодше найстаріших зірок. З іншого боку, плоскій Всесвіту з 74% космологічної постійної було б близько 13,7 млрд років. Таким чином, спостереження, що вона в даний час прискорюється, вирішило віковий парадокс.
2. 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 кількість галактик між двома червоними зміщеннями як міру обсягу простору, спостерігачі визначили, що віддалені об`єкти здаються занадто великими порівняно з прогнозами Всесвіту, що сповільнюється. Або світність галактик, або їх кількість на одиницю об`єму еволюціонували з часом несподіваним чином, або обсяги, які ми обчислювали, були невірними. Прискорена матерія могла б пояснити спостереження, не викликаючи жодної дивної теорії еволюції галактик.
3. Спостережувана площинність Всесвіту (незважаючи на неповні докази). Використовуючи вимірювання температурних коливань у космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні (CMB), починаючи з того часу, коли Всесвіту було приблизно 380 000 років, можна зробити висновок, що він просторово-Плоский у межах декількох відсотків. Поєднуючи ці дані з точним вимірюванням щільності матерії Всесвіту, стає зрозуміло, що вона має лише близько 23% критичної щільності. Один із способів пояснити відсутню щільність енергії-застосувати космологічну константу. Як виявилося, деяка кількість її просто необхідно для пояснення прискорення, що спостерігається за даними наднової. Це стало якраз тим фактором, який потрібен, щоб зробити Всесвіт плоскою. Тому космологічна константа вирішила чітке протиріччя між спостереженнями щільності речовини та CMB.

У чому ж полягає сенс?

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

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

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

Темна матерія

Цей термін застосовується для гіпотетичної 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 неясною темної енергії, залишаючи всього 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 рухи планет, коли вони особливо наближаються до масивних тіл, де кривизна простору найбільш виражена.

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

Висновок

У ранні часи космологічна константа була б незначною. 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 компонента матерії, мабуть, є вклади і від баріонів, і від небаріонного джерела, обидва вони порівнянні (принаймні, їх співвідношення не залежить від часу). Ця теорія хитається під тягарем своєї неприродності, але, тим не менш, перетинає фінішну лінію набагато раніше конкурентів, так добре вона узгоджена з даними.

Окрім підтвердження (або спростування) цього сценарію, головним завданням космологів та фізиків у найближчі роки буде зрозуміти, чи є ці, здавалося б, неприємні аспекти нашого Всесвіту просто дивовижними збігами, чи насправді відображають базову структуру, яку ми ще не розуміємо.

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