در اوایل قرن بیستم، دانشمند جوانی به نام آلبرت انیشتین به خواص نور و جرم و چگونگی ارتباط آنها با یکدیگر نگاه کرد. نتیجه تأملات او نظریه نسبیت بود. کار او فیزیک و نجوم مدرن را به گونه ای تغییر داد که هنوز هم احساس می شود. هر دانش آموز معادله معروف E=MC2 خود را مطالعه می کند تا بفهمد جرم و انرژی چگونه به هم مرتبط هستند. این یکی از حقایق اساسی وجود کیهان است.
ثابت کیهانی چیست؟
همانطور که معادلات انیشتین برای نسبیت عام بودند، آنها یک مشکل را ارائه کردند. او به دنبال توضیح چگونگی وجود جرم و نور در جهان بود، چگونه برهم کنش آنها می تواند منجر به یک جهان ایستا (یعنی نه در حال انبساط) شود. متأسفانه، معادلات او پیش‌بینی می‌کردند که یا منقبض می‌شود یا منبسط می‌شود و تا ابد به همین منوال ادامه می‌دهد، اما در نهایت به نقطه‌ای می‌رسد که منقبض می‌شود.
به نظر او درست نبود، بنابراین انیشتین مجبور شد راهی برای نگه داشتن گرانش توضیح دهد.برای توضیح جهان ایستا به هر حال، اکثر فیزیکدانان و ستاره شناسان زمان او به سادگی فرض می کردند که این مورد است. بنابراین انیشتین عامل فاج را به نام "ثابت کیهانی" اختراع کرد که به معادلات نظم داد و منجر به جهانی شد که نه منبسط می شود و نه منقبض می شود. او با علامت "لامبدا" (حرف یونانی) آمد که نشان دهنده چگالی انرژی در خلاء فضا است. گسترش را کنترل می کند و فقدان آن این روند را متوقف می کند. اکنون یک عامل برای توضیح نظریه کیهان‌شناسی مورد نیاز بود.
چگونه محاسبه کنیم؟
آلبرت انیشتین اولین نسخه نظریه نسبیت عام (GR) را در 25 نوامبر 1915 برای عموم ارائه کرد. معادلات اولیه انیشتین به این صورت بود:
در دنیای مدرن، ثابت کیهانی برابر است با:
این معادله نظریه نسبیت را توصیف می کند. همچنین به یک ثابت عضو لامبدا نیز گفته می شود.
کهکشان ها و جهان در حال انبساط
ثابت کیهانی همه چیز را آنطور که او انتظار داشت اصلاح نکرد. در واقع، کار کرد، اما فقط برای مدتی. مشکل ثابت کیهانی حل نشده است.
این ادامه یافت تا اینکه دانشمند جوان دیگری به نام ادوین هابل، رصد عمیقی از ستارگان متغیر در کهکشان های دوردست انجام داد. سوسو زدن آنها فواصل تا این ساختارهای کیهانی و موارد دیگر را آشکار کرد.
کار هابل نشان داده استنه تنها کیهان شامل بسیاری از کهکشان های دیگر می شد، بلکه همانطور که مشخص شد در حال انبساط بود و اکنون می دانیم که سرعت این فرآیند در طول زمان تغییر می کند. این امر تا حد زیادی ثابت کیهانی انیشتین را به صفر رساند و دانشمند بزرگ مجبور شد در مفروضات خود تجدید نظر کند. محققان آن را به طور کامل رها نکرده اند. با این حال، انیشتین بعداً افزودن ثابت خود به نسبیت عام را بزرگترین اشتباه زندگی خود خواند. اما آیا این است؟
ثابت کیهانی جدید
در سال 1998، تیمی از دانشمندان که با تلسکوپ فضایی هابل کار می کردند و در حال مطالعه ابرنواخترهای دوردست بودند، متوجه چیزی کاملاً غیرمنتظره شدند: انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است. علاوه بر این، سرعت روند آن چیزی نیست که آنها انتظار داشتند و در گذشته بوده است.
با توجه به اینکه جهان پر از جرم است، منطقی به نظر می رسد که انبساط باید کند شود، حتی اگر اینقدر کوچک باشد. بنابراین، به نظر می‌رسید که این کشف با آنچه معادلات و ثابت کیهانی انیشتین پیش‌بینی کرده بودند، تناقض داشت. ستاره شناسان نمی دانستند که چگونه شتاب ظاهری انبساط را توضیح دهند. چرا، چگونه این اتفاق می افتد؟
پاسخ به سوالات
برای توضیح شتاب و تصورات کیهانی در مورد آن، دانشمندان به ایده نظریه اصلی بازگشته اند.
آخرین حدس و گمان آنها وجود چیزی به نام انرژی تاریک را رد نمی کند. چیزی است که نمی توان آن را دید یا احساس کرد، اما تأثیرات آن قابل سنجش است. همان تاریکی استماده: تأثیر آن را می توان با نحوه تأثیر آن بر نور و ماده مرئی تعیین کرد.
ستاره شناسان ممکن است هنوز ندانند این انرژی تاریک چیست. با این حال، آنها می دانند که بر انبساط جهان تأثیر می گذارد. برای درک این فرآیندها، زمان بیشتری برای مشاهده و تجزیه و تحلیل نیاز است. شاید نظریه کیهان شناسی آنقدرها هم ایده بدی نباشد؟ پس از همه، می توان با فرض وجود انرژی تاریک توضیح داد. ظاهراً این درست است و دانشمندان باید به دنبال توضیحات بیشتر باشند.
در ابتدا چه اتفاقی افتاد؟
مدل اولیه کیهان شناسی انیشتین یک مدل همگن ثابت با هندسه کروی بود. اثر گرانشی ماده باعث ایجاد شتابی در این ساختار شد که انیشتین قادر به توضیح آن نبود، زیرا در آن زمان معلوم نبود که جهان در حال انبساط است. بنابراین، دانشمند ثابت کیهانی را در معادلات نسبیت عام خود وارد کرد. این ثابت برای خنثی کردن کشش گرانشی ماده اعمال می‌شود و از این رو به عنوان اثر ضد گرانشی توصیف شده است.
امگا لامبدا
به جای خود ثابت کیهانی، محققان اغلب به رابطه بین چگالی انرژی ناشی از آن و چگالی بحرانی جهان اشاره می کنند. این مقدار معمولاً به صورت زیر نشان داده می شود: ΩΛ. در یک جهان مسطح، ΩΛ مربوط به کسری از چگالی انرژی آن است که با ثابت کیهانی نیز توضیح داده می شود.
توجه داشته باشید که این تعریف مربوط به چگالی بحرانی دوران کنونی است. در طول زمان تغییر می کند، اما چگالیانرژی، به دلیل ثابت کیهانی، در طول تاریخ جهان بدون تغییر باقی می ماند.
بیایید بیشتر در نظر بگیریم که چگونه دانشمندان مدرن این نظریه را توسعه می دهند.
اثبات کیهان‌شناسی
مطالعه فعلی جهان در حال شتاب در حال حاضر بسیار فعال است، با آزمایش‌های مختلف که مقیاس‌های زمانی، مقیاس‌های طول و فرآیندهای فیزیکی بسیار متفاوتی را پوشش می‌دهند. یک مدل CDM کیهانی ایجاد شده است که در آن جهان مسطح است و دارای ویژگی های زیر است:
- چگالی انرژی، که حدود 4٪ ماده باریونی است؛
- 23% ماده تاریک؛
- 73% از ثابت کیهانی.
نتایج رصدی حیاتی که ثابت کیهانی را به اهمیت کنونی رساند، کشف این بود که ابرنواخترهای دوردست نوع Ia (0<z<1) که به عنوان شمع‌های استاندارد مورد استفاده قرار می‌گرفت، ضعیف‌تر از حد انتظار در جهان در حال کاهش بودند. از آن زمان، بسیاری از گروه‌ها این نتیجه را با ابرنواخترهای بیشتر و طیف وسیع‌تری از جابه‌جایی‌های قرمز تأیید کردند.
بیایید با جزئیات بیشتر توضیح دهیم. از اهمیت ویژه‌ای در تفکر کیهان‌شناسی کنونی، مشاهدات مبنی بر اینکه ابرنواخترهای با جابه‌جایی بسیار زیاد به سرخ (z>1) درخشان‌تر از حد انتظار هستند، هستند، که نشانه‌ای است که از زمان کاهش سرعت منتهی به دوره شتاب فعلی ما انتظار می‌رود. قبل از انتشار نتایج ابرنواختر در سال 1998، چندین خط شواهد وجود داشت که راه را برای سرعت نسبتاً سریع هموار می کرد.پذیرش نظریه شتاب جهان با کمک ابرنواخترها. به طور خاص، سه مورد از آنها:
- معلوم شد که جهان از پیرترین ستارگان جوانتر است. تکامل آنها به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است و مشاهدات آنها در خوشه های کروی و جاهای دیگر نشان می دهد که قدیمی ترین سازندها بیش از 13 میلیارد سال قدمت دارند. ما می‌توانیم با اندازه‌گیری نرخ انبساط امروزی جهان و ردیابی به زمان انفجار بزرگ، این را با سن جهان مقایسه کنیم. اگر جهان به سرعت فعلی خود کاهش یابد، آنگاه سن کمتر از زمانی خواهد بود که به سرعت فعلی خود می‌رسید. یک جهان مسطح و فقط از ماده حدود 9 میلیارد سال عمر خواهد کرد، مشکلی بزرگ با توجه به اینکه چندین میلیارد سال جوانتر از قدیمی ترین ستارگان است. از سوی دیگر، یک جهان مسطح با 74 درصد از ثابت کیهانی حدود 13.7 میلیارد سال سن خواهد داشت. بنابراین دیدن اینکه او در حال حاضر شتاب می گیرد پارادوکس سن را حل کرد.
- کهکشان های بسیار دور. تعداد آنها قبلاً به طور گسترده در تلاش برای تخمین کاهش سرعت انبساط کیهان استفاده شده است. مقدار فاصله بین دو جابجایی قرمز بسته به تاریخچه انبساط (برای یک زاویه ثابت معین) متفاوت است. ناظران با استفاده از تعداد کهکشان‌های بین دو جابجایی به سرخ به‌عنوان اندازه‌گیری حجم فضا، دریافته‌اند که اجرام دوردست در مقایسه با پیش‌بینی‌های کاهش سرعت جهان، بسیار بزرگ به نظر می‌رسند. یا درخشندگی کهکشان ها یا تعداد آنها در واحد حجم در طول زمان به روش های غیرمنتظره ای تکامل یافته است، یا حجم هایی که ما محاسبه کرده ایم اشتباه بوده است. ماده شتاب دهنده می تواندمشاهدات را بدون برانگیختن هیچ نظریه عجیبی در مورد تکامل کهکشان توضیح خواهد داد.
- مسطح بودن قابل مشاهده جهان (علی رغم شواهد ناقص). با استفاده از اندازه گیری نوسانات دما در پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB)، از زمانی که کیهان حدود 380000 سال قدمت داشت، می توان نتیجه گرفت که از نظر فضایی تا چند درصد مسطح است. با ترکیب این داده ها با اندازه گیری دقیق چگالی ماده در جهان، مشخص می شود که تنها حدود 23 درصد از چگالی بحرانی را دارد. یک راه برای توضیح چگالی انرژی از دست رفته، اعمال ثابت کیهانی است. همانطور که مشخص شد، مقدار مشخصی از آن به سادگی برای توضیح شتاب مشاهده شده در داده های ابرنواختر ضروری است. این فقط عاملی بود که برای مسطح کردن جهان لازم بود. بنابراین، ثابت کیهانی تضاد ظاهری بین مشاهدات چگالی ماده و CMB را حل کرد.
نکته چیست؟
برای پاسخ به سؤالاتی که پیش می آید، موارد زیر را در نظر بگیرید. بیایید سعی کنیم معنای فیزیکی ثابت کیهانی را توضیح دهیم.
معادل GR-1917 را می گیریم و تانسور متریک gab را از پرانتز خارج می کنیم. بنابراین، در داخل براکت ها عبارت (R / 2 - Λ) را خواهیم داشت. مقدار R بدون شاخص نشان داده می شود - این انحنای اسکالر معمولی است. اگر روی انگشتان توضیح دهید - این متقابل شعاع دایره / کره است. فضای مسطح با R=0 مطابقت دارد.
در این تفسیر، مقدار غیر صفر Λ به این معنی است که جهان ما منحنی است.به خودی خود، از جمله در غیاب هر گونه جاذبه. با این حال، اکثر فیزیکدانان این را باور ندارند و معتقدند که انحنای مشاهده شده باید علتی درونی داشته باشد.
ماده تاریک
این اصطلاح برای ماده فرضی در جهان به کار می رود. این برای توضیح بسیاری از مشکلات مدل کیهانی استاندارد بیگ بنگ طراحی شده است. ستاره شناسان تخمین می زنند که حدود 25 درصد کیهان از ماده تاریک (شاید از ذرات غیر استانداردی مانند نوترینوها، آکسیون ها یا ذرات پرجرم با تعامل ضعیف [WIMP] جمع شده است) تشکیل شده است. و ۷۰ درصد کیهان در مدل‌های آنها از انرژی تاریک حتی مبهم‌تری تشکیل شده است که تنها ۵ درصد آن را برای ماده معمولی باقی می‌گذارد.
کیهان شناسی خلاقیت
در سال 1915، اینشتین مشکل انتشار نظریه نسبیت عام خود را حل کرد. او نشان داد که جهش غیرعادی نتیجه این است که چگونه گرانش فضا و زمان را تحریف می کند و حرکات سیارات را هنگامی که به ویژه به اجسام پرجرم نزدیک هستند، کنترل می کند، جایی که انحنای فضا بارزتر است.
گرانش نیوتنی توصیف خیلی دقیقی از حرکت سیارات نیست. به خصوص زمانی که انحنای فضا از همواری اقلیدسی دور می شود. و نسبیت عام رفتار مشاهده شده را تقریباً دقیقاً توضیح می دهد. بنابراین، نه ماده تاریک، که برخی معتقدند در حلقه نامرئی ماده به دور خورشید قرار دارد، و نه خود سیاره ولکان، برای توضیح این ناهنجاری مورد نیاز نبودند.
نتیجه گیری
در روزهای اولیهثابت کیهانی ناچیز خواهد بود. در زمان‌های بعدی، چگالی ماده اساساً صفر خواهد بود و جهان خالی خواهد بود. ما در آن عصر کیهانی کوتاه زندگی می کنیم که هم ماده و هم خلاء قدر قابل مقایسه ای دارند.
در مولفه ماده، ظاهراً هم از باریون‌ها و هم از یک منبع غیرباریونی مشارکت وجود دارد، هر دوی آنها قابل مقایسه هستند (حداقل، نسبت آنها به زمان بستگی ندارد). این نظریه زیر وزن غیرطبیعی بودن خود می چرخد، اما با این وجود از خط پایان جلوتر از رقابت عبور می کند، بنابراین به خوبی با داده ها مطابقت دارد.
علاوه بر تأیید (یا رد) این سناریو، چالش اصلی کیهان‌شناسان و فیزیکدانان در سال‌های آینده این خواهد بود که بفهمند آیا این جنبه‌های به ظاهر ناخوشایند جهان ما تصادفی شگفت‌انگیز هستند یا در واقع ساختار اصلی ما را منعکس می‌کنند. هنوز نفهمیدم.
اگر ما خوش شانس باشیم، هر چیزی که اکنون غیرطبیعی به نظر می رسد به عنوان کلیدی برای درک عمیق تر از فیزیک بنیادی عمل می کند.
