20. yüzyılın başlarında, Albert Einstein adında genç bir bilim adamı, ışık ve kütlenin özelliklerine ve bunların birbirleriyle olan ilişkisine baktı. Yansımalarının sonucu görelilik teorisiydi. Çalışmaları, modern fiziği ve astronomiyi bugün hala hissedilen bir şekilde değiştirdi. Her öğrenci, kütle ve enerjinin nasıl ilişkili olduğunu anlamak için ünlü E=MC2 denklemini inceler. Bu, kozmosun varlığının temel gerçeklerinden biridir.
Kozmolojik sabit nedir?
Einstein'ın genel görelilik denklemleri ne kadar derin olursa olsun, bir problem ortaya çıkardılar. Evrende kütle ve ışığın nasıl var olduğunu, etkileşimlerinin nasıl statik (yani genişlemeyen) bir evrene yol açabileceğini açıklamaya çalıştı. Ne yazık ki, denklemleri onun ya daralacağını ya da genişleyeceğini ve sonsuza kadar böyle devam edeceğini, ancak sonunda daralacağı bir noktaya ulaşacağını öngördü.
Ona doğru gelmedi, bu yüzden Einstein yerçekimini tutmanın bir yolunu açıklamak zorunda kaldı,statik evreni açıklamak için. Ne de olsa, zamanının çoğu fizikçisi ve astronomu, durumun böyle olduğunu varsaymıştı. Böylece Einstein, denklemlere düzen veren ve ne genişlemeyen ne de büzülmeyen bir evrenle sonuçlanan "kozmolojik sabit" olarak adlandırılan Fudge faktörünü icat etti. Uzay boşluğundaki enerji yoğunluğunu gösteren "lambda" (Yunanca harf) işaretini buldu. Genişlemeyi kontrol eder ve eksikliği bu süreci durdurur. Şimdi kozmolojik teoriyi açıklamak için bir faktöre ihtiyaç vardı.
Nasıl hesaplanır?
Albert Einstein, genel görelilik teorisinin (GR) ilk versiyonunu 25 Kasım 1915'te halka sundu. Einstein'ın orijinal denklemleri şuna benziyordu:
Modern dünyada, kozmolojik sabit şudur:
Bu denklem görelilik teorisini açıklar. Ayrıca, bir sabite lambda üyesi de denir.
Galaksiler ve genişleyen Evren
Kozmolojik sabit, işleri onun beklediği şekilde düzeltmedi. Aslında işe yaradı, ama sadece bir süreliğine. Kozmolojik sabit sorunu çözülmedi.
Bu, başka bir genç bilim adamı Edwin Hubble'ın uzak galaksilerdeki değişken yıldızlarla ilgili derin bir gözlem yapmasına kadar devam etti. Titreşimleri bu kozmik yapılara olan mesafeleri ve daha fazlasını ortaya çıkardı.
Hubble'ın çalışması kanıtlandıEvrenin yalnızca birçok başka galaksiyi içermesi değil, aynı zamanda genişlediği ortaya çıktı ve şimdi bu sürecin hızının zamanla değiştiğini biliyoruz. Bu, Einstein'ın kozmolojik sabitini büyük ölçüde sıfıra indirdi ve büyük bilim adamı varsayımlarını gözden geçirmek zorunda kaldı. Araştırmacılar onu tamamen terk etmediler. Ancak Einstein daha sonra sabitini genel göreliliğe eklemeyi hayatının en büyük hatası olarak adlandırdı. Ama öyle mi?
Yeni kozmolojik sabit
1998'de, Hubble Uzay Teleskobu ile çalışan ve uzaktaki süpernovaları inceleyen bir bilim adamları ekibi, tamamen beklenmedik bir şey fark ettiler: evrenin genişlemesi hızlanıyor. Üstelik sürecin hızı bekledikleri gibi değil ve geçmişte de oldu.
Evrenin kütle ile dolu olduğu göz önüne alındığında, genişlemenin çok küçük olsa bile yavaşlaması mantıklı görünüyor. Böylece, bu keşif, denklemlerin ve Einstein'ın kozmolojik sabitinin öngördüğüyle çelişiyor gibiydi. Gökbilimciler, genişlemenin görünen ivmesini nasıl açıklayacaklarını anlamadılar. Neden, bu nasıl oluyor?
Soruların yanıtları
İvmeyi ve bununla ilgili kozmolojik kavramları açıklamak için bilim adamları orijinal teori fikrine geri döndüler.
En son spekülasyonları, karanlık enerji denen bir şeyin varlığını dışlamaz. Görülemeyen veya hissedilemeyen bir şeydir, ancak etkileri ölçülebilir. Aynı karanlıkmadde: etkisi, ışığı ve görünür maddeyi nasıl etkilediğiyle belirlenebilir.
Gökbilimciler bu karanlık enerjinin ne olduğunu henüz bilmiyor olabilirler. Ancak bunun evrenin genişlemesini etkilediğini biliyorlar. Bu süreçleri anlamak için gözlem ve analiz için daha fazla zamana ihtiyaç vardır. Belki de kozmolojik teori o kadar da kötü bir fikir değildir? Sonuçta, karanlık enerjinin var olduğu varsayılarak açıklanabilir. Görünüşe göre bu doğru ve bilim adamlarının daha fazla açıklama araması gerekiyor.
Başlangıçta ne oldu?
Einstein'ın orijinal kozmolojik modeli, küresel bir geometriye sahip statik homojen bir modeldi. Maddenin yerçekimi etkisi bu yapıda bir ivmeye neden oldu, o zaman evrenin genişlediği bilinmediği için Einstein'ın açıklayamadığı bir ivme oluştu. Bu nedenle, bilim adamı kozmolojik sabiti genel görelilik denklemlerine dahil etti. Bu sabit, maddenin yerçekimsel çekimine karşı koymak için uygulanır ve bu nedenle anti-yerçekimi etkisi olarak tanımlanır.
Omega Lambda
Kozmolojik sabitin kendisi yerine, araştırmacılar genellikle ondan kaynaklanan enerji yoğunluğu ile evrenin kritik yoğunluğu arasındaki ilişkiye atıfta bulunurlar. Bu değer genellikle şu şekilde gösterilir: ΩΛ. Düz bir evrende ΩΛ, kozmolojik sabit tarafından da açıklanan enerji yoğunluğunun bir kısmına karşılık gelir.
Bu tanımın mevcut çağın kritik yoğunluğu ile ilgili olduğunu unutmayın. Zamanla değişir, ancak yoğunlukenerji, kozmolojik sabite bağlı olarak, evrenin tarihi boyunca değişmeden kalır.
Modern bilim adamlarının bu teoriyi nasıl geliştirdiğini biraz daha düşünelim.
Kozmolojik kanıt
Hızlanan evrenle ilgili mevcut araştırma, çok farklı zaman ölçeklerini, uzunluk ölçeklerini ve fiziksel süreçleri kapsayan birçok farklı deneyle artık çok aktif. Evrenin düz olduğu ve aşağıdaki özelliklere sahip olduğu bir kozmolojik CDM modeli oluşturulmuştur:
- baryonik maddenin yaklaşık %4'ü olan enerji yoğunluğu;
- %23 karanlık madde;
- kozmolojik sabitin %73'ü.
Kozmolojik sabiti mevcut önemine getiren kritik gözlem sonucu, standart mumlar olarak kullanılan uzak Tip Ia (0<z<1) süpernovaların yavaşlayan bir evrende beklenenden daha zayıf olduğunun keşfedilmesiydi. O zamandan beri, birçok grup bu sonucu daha fazla süpernova ve daha geniş bir kırmızıya kayma aralığı ile doğruladı.
Daha detaylı anlatalım. Mevcut kozmolojik düşüncede özellikle önemli olan, aşırı yüksek kırmızıya kayma (z>1) süpernovalarının beklenenden daha parlak olduğuna dair gözlemlerdir; bu, mevcut hızlanma periyodumuza giden yavaşlama zamanından beklenen bir imzadır. 1998'de süpernova sonuçlarının yayınlanmasından önce, nispeten hızlı bir şekilde ilerlemenin yolunu açan birkaç kanıt dizisi zaten vardı.süpernovaların yardımıyla Evrenin hızlanması teorisinin kabulü. Özellikle üçü:
- Evrenin en yaşlı yıldızlardan daha genç olduğu ortaya çıktı. Evrimleri iyi çalışılmıştır ve küresel kümelerde ve başka yerlerde yapılan gözlemler, en eski oluşumların 13 milyar yıldan daha eski olduğunu göstermektedir. Bunu, bugünkü genişleme oranını ölçerek ve Büyük Patlama zamanına kadar takip ederek evrenin yaşıyla karşılaştırabiliriz. Evren şimdiki hızına yavaşlasaydı, yaşı şimdiki hızına hızlandığından daha az olurdu. Düz, yalnızca maddeden oluşan bir evren, yaklaşık 9 milyar yaşında olacaktır; bu, en yaşlı yıldızlardan birkaç milyar yıl daha genç olduğu düşünüldüğünde büyük bir sorundur. Öte yandan, kozmolojik sabitin %74'üne sahip düz bir evren yaklaşık 13,7 milyar yaşında olacaktır. Yani şu anda hızlandığını görmek yaş paradoksunu çözdü.
- Çok fazla uzak galaksi. Sayıları, Evrenin genişlemesinin yavaşlamasını tahmin etme girişimlerinde zaten yaygın olarak kullanılmaktadır. İki kırmızıya kayma arasındaki boşluk miktarı, genişleme geçmişine bağlı olarak değişir (belirli bir katı açı için). Uzayın hacminin bir ölçüsü olarak iki kırmızıya kayma arasındaki galaksilerin sayısını kullanan gözlemciler, yavaşlayan bir evren tahminlerine kıyasla uzaktaki nesnelerin çok büyük göründüğünü belirlediler. Ya galaksilerin parlaklığı ya da birim hacim başına sayıları zaman içinde beklenmedik şekillerde gelişti ya da hesapladığımız hacimler yanlıştı. Hızlanan madde olabilirherhangi bir garip galaksi evrimi teorisini tetiklemeden gözlemleri açıklayabilirdi.
- Evrenin gözlemlenebilir düzlüğü (eksik kanıtlara rağmen). Kozmik mikrodalga arka planındaki (CMB) sıcaklık dalgalanmalarının ölçümlerini kullanarak, evrenin yaklaşık 380.000 yaşında olduğu zamandan beri, uzaysal olarak yüzde birkaç oranında düz olduğu sonucuna varılabilir. Bu verileri evrendeki maddenin yoğunluğunun doğru bir ölçümüyle birleştirerek, kritik yoğunluğun yalnızca yaklaşık %23'üne sahip olduğu ortaya çıkıyor. Kayıp enerji yoğunluğunu açıklamanın bir yolu, kozmolojik sabiti uygulamaktır. Görünüşe göre, süpernova verilerinde gözlemlenen ivmeyi açıklamak için belirli bir miktar basitçe gereklidir. Bu sadece evreni düz yapmak için gereken faktördü. Bu nedenle, kozmolojik sabit, madde yoğunluğu ve SPK gözlemleri arasındaki bariz çelişkiyi çözdü.
Konu nedir?
Ortaya çıkan soruları yanıtlamak için aşağıdakileri göz önünde bulundurun. Kozmolojik sabitin fiziksel anlamını açıklamaya çalışalım.
1917 GR denklemini alıyoruz ve gab metrik tensörünü parantezlerin dışına koyuyoruz. Bu nedenle, parantez içinde (R / 2 - Λ) ifadesine sahip olacağız. R'nin değeri indeksler olmadan temsil edilir - bu olağan, skaler eğriliktir. Parmaklarda açıklarsanız - bu, dairenin / kürenin yarıçapının tersidir. Düz uzay R=0'a karşılık gelir.
Bu yorumda, sıfırdan farklı bir Λ değeri, Evrenimizin eğri olduğu anlamına gelir.herhangi bir yerçekimi olmaması da dahil olmak üzere kendi başına. Ancak çoğu fizikçi buna inanmaz ve gözlenen eğriliğin bir iç nedeni olması gerektiğine inanır.
Karanlık madde
Bu terim evrendeki varsayımsal madde için kullanılır. Standart Big Bang kozmolojik modeliyle ilgili birçok sorunu açıklamak için tasarlanmıştır. Gökbilimciler, evrenin yaklaşık %25'inin karanlık maddeden (belki de nötrinolar, eksenler veya Zayıf Etkileşimli Kütleli Parçacıklar [WIMP'ler] gibi standart olmayan parçacıklardan toplanmış) oluştuğunu tahmin ediyor. Ve modellerindeki Evrenin %70'i daha da karanlık enerjiden oluşuyor ve sıradan madde için sadece %5 kalıyor.
Yaratılışçı kozmoloji
1915'te Einstein, genel görelilik teorisini yayınlama sorununu çözdü. Anormal devinimin, yerçekiminin uzayı ve zamanı nasıl çarpıttığının ve özellikle uzayın eğriliğinin en belirgin olduğu büyük kütlelere yakın olduklarında gezegenlerin hareketlerini nasıl kontrol ettiğinin bir sonucu olduğunu gösterdi.
Newton kütleçekimi, gezegensel hareketin çok doğru bir tanımı değildir. Özellikle uzayın eğriliği Öklid düzlüğünden uzaklaştığında. Ve genel görelilik, gözlemlenen davranışı neredeyse tam olarak açıklar. Bu nedenle, anormalliği açıklamak için ne bazılarının Güneş'in etrafındaki görünmez bir madde halkasında olduğunu öne sürdüğü karanlık maddeye ne de Vulcan gezegeninin kendisine ihtiyaç vardı.
Sonuçlar
İlk günlerdekozmolojik sabit ihmal edilebilir. Daha sonraki zamanlarda, maddenin yoğunluğu esasen sıfır olacak ve evren boş olacak. Hem maddenin hem de boşluğun karşılaştırılabilir büyüklükte olduğu o kısa kozmolojik çağda yaşıyoruz.
Madde bileşeni içinde, görünüşe göre, hem baryonlardan hem de baryon olmayan bir kaynaktan katkılar var, ikisi de karşılaştırılabilir (en azından oranları zamana bağlı değil). Bu teori, doğal olmamasının ağırlığı altında sallanıyor, ancak yine de bitiş çizgisini rekabetin çok önünde geçiyor, verilerle o kadar iyi uyuyor.
Bu senaryoyu doğrulamanın (veya reddetmenin) yanı sıra, önümüzdeki yıllarda kozmologlar ve fizikçiler için asıl zorluk, evrenimizin bu görünüşte hoş olmayan yönlerinin sadece şaşırtıcı tesadüfler olup olmadığını veya aslında yaşadığımız temel yapıyı yansıtıp yansıtmadığını anlamak olacaktır. henüz anlamadım.
Şanslıysak, şu anda doğal olmayan görünen her şey, temel fiziğin daha derin anlaşılması için bir anahtar görevi görecek.
