20-ci əsrin əvvəllərində Albert Eynşteyn adlı gənc alim işığın və kütlənin xüsusiyyətlərinə və onların bir-biri ilə əlaqəsinə baxdı. Onun düşüncələrinin nəticəsi nisbilik nəzəriyyəsi oldu. Onun işi müasir fizikanı və astronomiyanı bu gün də hiss olunan şəkildə dəyişdirdi. Hər bir tələbə kütlə və enerjinin necə əlaqəli olduğunu anlamaq üçün məşhur E=MC2 tənliyini öyrənir. Bu, kosmosun mövcudluğunun əsas faktlarından biridir.
Kosmoloji sabit nədir?
Eynşteynin ümumi nisbilik üçün tənlikləri nə qədər dərin olsa da, onlar bir problem təqdim etdilər. O, kütlə və işığın kainatda necə mövcud olduğunu, onların qarşılıqlı təsirinin statik (yəni genişlənməmiş) kainata necə gətirib çıxara biləcəyini izah etməyə çalışırdı. Təəssüf ki, onun tənlikləri onun ya daralacağını, ya da genişlənəcəyini və əbədi olaraq belə davam edəcəyini, lakin sonunda büzüləcəyi bir nöqtəyə çatacağını proqnozlaşdırırdı.
Bu ona uyğun gəlmirdi, ona görə də Eynşteyn cazibə qüvvəsini saxlamağın yolunu izah etməli oldu,statik kainatı izah etmək. Axı onun dövrünün əksər fizikləri və astronomları sadəcə olaraq belə hesab edirdilər. Beləliklə, Eynşteyn tənliklərə nizam verən və nə genişlənən, nə də büzülməyən bir kainatla nəticələnən "kosmoloji sabit" adlanan Fudge faktorunu icad etdi. O, kosmosun vakuumunda enerji sıxlığını ifadə edən "lambda" (yunan hərfi) işarəsi ilə gəldi. Genişlənməyə nəzarət edir və onun olmaması bu prosesi dayandırır. İndi kosmoloji nəzəriyyəni izah etmək üçün amil lazım idi.
Necə hesablamaq olar?
Albert Eynşteyn ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin (GR) ilk versiyasını 25 noyabr 1915-ci ildə ictimaiyyətə təqdim etdi. Eynşteynin orijinal tənlikləri belə görünürdü:
Müasir dünyada kosmoloji sabit belədir:
Bu tənlik nisbilik nəzəriyyəsini təsvir edir. Həmçinin, sabitə lambda üzvü də deyilir.
Qalaktikalar və genişlənən Kainat
Kosmoloji sabit hər şeyi onun gözlədiyi kimi düzəltmədi. Əslində, işlədi, ancaq bir müddət. Kosmoloji sabit problemi həll olunmayıb.
Bu, başqa bir gənc alim Edvin Hubble uzaq qalaktikalarda dəyişən ulduzları dərindən müşahidə edənə qədər davam etdi. Onların titrəməsi bu kosmik strukturlara olan məsafələri və daha çoxunu aşkar etdi.
Hubble işi nümayiş etdirditəkcə kainatın bir çox başqa qalaktikaları ehtiva etdiyi deyildi, lakin məlum oldu ki, genişlənirdi və indi biz bilirik ki, bu prosesin sürəti zamanla dəyişir. Bu, əsasən Eynşteynin kosmoloji sabitini sıfıra endirdi və böyük alim öz fərziyyələrini yenidən nəzərdən keçirməli oldu. Tədqiqatçılar bundan tamamilə imtina etməyiblər. Lakin sonralar Eynşteyn öz sabitini ümumi nisbiliyə əlavə etməyi həyatının ən böyük səhvi adlandırdı. Bəs belədir?
Yeni kosmoloji sabit
1998-ci ildə Hubble Kosmik Teleskopu ilə işləyən, uzaq fövqəlnovaları tədqiq edən bir qrup elm adamı tamamilə gözlənilməz bir şey gördü: kainatın genişlənməsi sürətlənir. Üstəlik, prosesin tempi onların gözlədiyi kimi deyil və keçmişdə də olub.
Kainatın kütlə ilə dolu olduğunu nəzərə alsaq, genişlənmənin çox kiçik olsa belə, yavaşlaması məntiqli görünür. Beləliklə, bu kəşf tənliklərin və Eynşteynin kosmoloji sabitinin proqnozlaşdırdıqları ilə ziddiyyət təşkil edirdi. Astronomlar genişlənmənin görünən sürətlənməsini necə izah edəcəklərini başa düşə bilmədilər. Niyə, bu necə baş verir?
Suallara cavablar
Sürətlənməni və onunla bağlı kosmoloji anlayışları izah etmək üçün elm adamları orijinal nəzəriyyə ideyasına qayıtdılar.
Onların son fərziyyələri qaranlıq enerji deyilən bir şeyin mövcudluğunu istisna etmir. Bu, görünməyən, hiss olunmayan, lakin təsirini ölçə bilən bir şeydir. Qaranlıq kimi eynidirmaddə: onun təsiri işığa və görünən maddəyə necə təsir etdiyi ilə müəyyən edilə bilər.
Astronomlar bu qaranlıq enerjinin nə olduğunu hələ bilmirlər. Ancaq bunun kainatın genişlənməsinə təsir etdiyini bilirlər. Bu prosesləri başa düşmək üçün müşahidə və təhlil üçün daha çox vaxt lazımdır. Bəlkə kosmoloji nəzəriyyə o qədər də pis fikir deyil? Axı bunu qaranlıq enerjinin mövcud olduğunu fərz etməklə izah etmək olar. Görünür, bu doğrudur və alimlər əlavə izahatlar axtarmalıdırlar.
Başlanğıcda nə oldu?
Eynşteynin orijinal kosmoloji modeli sferik həndəsə ilə statik homojen bir model idi. Maddənin qravitasiya təsiri bu quruluşda bir sürətlənməyə səbəb oldu ki, Eynşteyn bunu izah edə bilmədi, çünki o zaman kainatın genişləndiyi bilinmirdi. Buna görə də alim ümumi nisbilik tənliklərinə kosmoloji sabiti daxil etdi. Bu sabit maddənin cazibə qüvvəsinin qarşısını almaq üçün tətbiq edilir və buna görə də o, cazibə əleyhinə effekt kimi təsvir edilmişdir.
Omega Lambda
Tədqiqatçılar kosmoloji sabitin özünün əvəzinə tez-tez ona bağlı olan enerji sıxlığı ilə kainatın kritik sıxlığı arasındakı əlaqəyə istinad edirlər. Bu dəyər adətən aşağıdakı kimi işarələnir: ΩΛ. Düz kainatda ΩΛ onun enerji sıxlığının bir hissəsinə uyğundur, bu da kosmoloji sabitlə izah olunur.
Qeyd edək ki, bu tərif cari dövrün kritik sıxlığı ilə bağlıdır. Zamanla dəyişir, lakin sıxlığıenerji, kosmoloji sabitə görə, kainatın tarixi boyu dəyişməz olaraq qalır.
Gəlin müasir alimlərin bu nəzəriyyəni necə inkişaf etdirdiklərini daha ətraflı nəzərdən keçirək.
Kosmoloji sübut
Sürətlənən kainatın hazırkı tədqiqi indi çox aktivdir, çox fərqli zaman miqyalarını, uzunluq şkalalarını və fiziki prosesləri əhatə edən çoxlu müxtəlif təcrübələr. Kainatın düz olduğu və aşağıdakı xüsusiyyətlərə malik olduğu kosmoloji CDM modeli yaradılmışdır:
- enerji sıxlığı, bu baryonik maddənin təxminən 4%-ni təşkil edir;
- 23% qaranlıq maddə;
- kosmoloji sabitin 73%-i.
Kosmoloji sabiti indiki əhəmiyyətinə gətirən kritik müşahidə nəticəsi standart şamlar kimi istifadə edilən uzaq Tip Ia (0<z<1) fövqəlnovanın yavaşlayan kainatda gözləniləndən daha zəif olmasının kəşfi oldu. O vaxtdan bəri bir çox qrup bu nəticəni daha çox fövqəlnova və daha geniş qırmızı sürüşmə diapazonu ilə təsdiqlədi.
Daha ətraflı izah edək. Mövcud kosmoloji təfəkkürdə xüsusi əhəmiyyət kəsb edən müşahidələr son dərəcə yüksək qırmızı sürüşmə (z>1) fövqəlnovanın gözləniləndən daha parlaq olmasıdır ki, bu da bizim cari sürətlənmə dövrümüzə aparan yavaşlama vaxtından gözlənilən bir imzadır. 1998-ci ildə fövqəlnova nəticələrinin açıqlanmasından əvvəl, nisbətən sürətli bir fəlakətə yol açan bir neçə sübut xətti artıq mövcud idi.fövqəlnovaların köməyi ilə Kainatın sürətlənməsi nəzəriyyəsinin qəbul edilməsi. Xüsusilə onlardan üçü:
- Kainatın ən qədim ulduzlardan daha gənc olduğu ortaya çıxdı. Onların təkamülü yaxşı öyrənilib və onların qlobular çoxluqlarda və başqa yerlərdə müşahidələri göstərir ki, ən qədim formasiyaların 13 milyard ildən çox yaşı var. Kainatın bugünkü genişlənmə sürətini ölçməklə və Böyük Partlayış zamanına qədər uzanaraq bunu kainatın yaşı ilə müqayisə edə bilərik. Əgər kainat indiki sürətinə qədər yavaşlasa, o zaman yaş indiki sürətinə sürətləndiyindən daha az olacaq. Düz, yalnız maddədən ibarət bir kainatın təxminən 9 milyard il yaşı olardı, bu, ən qədim ulduzlardan bir neçə milyard il gənc olduğunu nəzərə alsaq, əsas problemdir. Digər tərəfdən, kosmoloji sabitin 74%-nə malik düz kainatın təxminən 13,7 milyard il yaşı olardı. Onun hazırda sürətləndiyini görmək yaş paradoksunu həll etdi.
- Həddindən artıq çox uzaq qalaktikalar. Onların sayı artıq Kainatın genişlənməsinin ləngiməsini qiymətləndirmək cəhdlərində geniş istifadə edilmişdir. İki qırmızı sürüşmə arasındakı boşluq genişlənmə tarixindən asılı olaraq fərqlənir (verilmiş möhkəm bucaq üçün). Müşahidəçilər kosmosun həcminin ölçüsü kimi iki qırmızı yerdəyişmə arasındakı qalaktikaların sayını istifadə edərək, yavaşlayan kainatın proqnozları ilə müqayisədə uzaq obyektlərin çox böyük göründüyünü müəyyən etdilər. Ya qalaktikaların parlaqlığı və ya vahid həcmə düşən sayı zamanla gözlənilməz şəkildə təkamül etdi, ya da hesabladığımız həcmlər səhv idi. Sürətləndirici maddə ola bilərheç bir qəribə qalaktika təkamülü nəzəriyyəsini işə salmadan müşahidələri izah edərdi.
- Kainatın müşahidə edilə bilən hamarlığı (natamam sübutlara baxmayaraq). Kosmik mikrodalğalı fonda (CMB) temperatur dalğalanmalarının ölçülməsindən istifadə edərək, kainatın təxminən 380.000 il olduğu dövrdən bəri onun fəza baxımından bir neçə faizə qədər düz olduğu qənaətinə gəlmək olar. Bu məlumatları kainatdakı maddənin sıxlığının dəqiq ölçülməsi ilə birləşdirərək, onun kritik sıxlığın yalnız 23%-nə sahib olduğu aydın olur. Çatışmayan enerji sıxlığını izah etməyin bir yolu kosmoloji sabiti tətbiq etməkdir. Məlum olub ki, onun müəyyən bir miqdarı sadəcə olaraq fövqəlnova məlumatlarında müşahidə olunan sürətlənməni izah etmək lazımdır. Kainatı düz etmək üçün lazım olan amil məhz bu idi. Buna görə də, kosmoloji sabit maddənin sıxlığı ilə CMB müşahidələri arasında görünən ziddiyyəti həll etdi.
Nə mənası var?
Ortaya çıxan suallara cavab vermək üçün aşağıdakıları nəzərdən keçirin. Gəlin kosmoloji sabitin fiziki mənasını izah etməyə çalışaq.
GR-1917 tənliyini götürürük və gab metrik tensorunu mötərizədən çıxarırıq. Buna görə də, mötərizələrin içərisində biz ifadəyə sahib olacağıq (R / 2 - Λ). R dəyəri indekssiz təmsil olunur - bu adi, skalyar əyrilikdir. Barmaqlarda izah etsəniz - bu dairənin / sferanın radiusunun əksidir. Düz boşluq R=0-a uyğundur.
Bu şərhdə Λ-nin sıfırdan fərqli dəyəri Kainatımızın əyri olduğunu bildiriröz-özünə, o cümlədən heç bir cazibə qüvvəsi olmadıqda. Lakin əksər fiziklər buna inanmır və hesab edirlər ki, müşahidə edilən əyriliyin hansısa daxili səbəbi olmalıdır.
Qaranlıq maddə
Bu termin kainatdakı hipotetik maddə üçün istifadə olunur. Standart Big Bang kosmoloji modeli ilə bir çox problemləri izah etmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. Astronomlar hesab edirlər ki, kainatın təqribən 25%-i qaranlıq maddədən (bəlkə də neytrinolar, aksionlar və ya zəif qarşılıqlı təsir göstərən kütləvi hissəciklər [WIMPs] kimi qeyri-standart hissəciklərdən yığılmış) ibarətdir. Onların modellərində Kainatın 70%-i daha qaranlıq enerjidən ibarətdir və adi maddə üçün yalnız 5%-i qalır.
Yaradılışçı kosmologiya
1915-ci ildə Eynşteyn ümumi nisbilik nəzəriyyəsini nəşr etmək problemini həll etdi. O göstərdi ki, anomal presessiya cazibə qüvvəsinin məkanı və vaxtı necə təhrif etməsinin və planetlərin kosmosun əyriliyinin ən çox müşahidə olunduğu kütləvi cisimlərə xüsusilə yaxın olduqda onların hərəkətlərinə nəzarət etməsinin nəticəsidir.
Nyuton cazibə qüvvəsi planetlərin hərəkətinin çox dəqiq təsviri deyil. Xüsusilə məkanın əyriliyi Evklid düzlüyündən uzaqlaşdıqda. Və ümumi nisbilik müşahidə olunan davranışı demək olar ki, dəqiq izah edir. Beləliklə, anomaliyanı izah etmək üçün nə bəzilərinin Günəş ətrafında maddədən ibarət görünməz halqada olduğunu iddia etdiyi qaranlıq maddəyə, nə də Vulkan planetinin özünə ehtiyac duyulmadı.
Nəticələr
İlk günlərdəkosmoloji sabit əhəmiyyətsiz olardı. Sonrakı dövrlərdə maddənin sıxlığı mahiyyət etibarilə sıfır olacaq və kainat boş olacaq. Biz həm maddənin, həm də vakuumun müqayisə edilə bilən böyüklükdə olduğu qısa kosmoloji dövrdə yaşayırıq.
Materiya komponenti daxilində, görünür, həm baryonlardan, həm də qeyri-barion mənbədən töhfələr var, onların hər ikisi müqayisə edilə bilər (ən azı, onların nisbəti zamandan asılı deyil). Bu nəzəriyyə qeyri-təbiiliyinin ağırlığı altında yırğalanır, lakin buna baxmayaraq, finiş xəttini rəqabətdən xeyli qabaq keçir, məlumatlara o qədər uyğun gəlir.
Bu ssenarini təsdiqləmək (və ya təkzib etmək) ilə yanaşı, qarşıdakı illərdə kosmoloqlar və fiziklər üçün əsas problem kainatımızın bu xoşagəlməz görünən tərəflərinin sadəcə heyrətamiz təsadüflər olub-olmadığını və ya əslində bizim əsas quruluşumuzu əks etdirdiyini anlamaq olacaq. hələ başa düşmürəm.
Şanslı olsaq, indi qeyri-təbii görünən hər şey fundamental fizikanın daha dərindən dərk edilməsi üçün açar rolunu oynayacaq.
