בתחילת המאה ה-20, מדען צעיר בשם אלברט איינשטיין הסתכל על תכונות האור והמסה וכיצד הם קשורים זה לזה. התוצאה של הרהוריו הייתה תורת היחסות. עבודתו שינתה את הפיזיקה והאסטרונומיה המודרנית באופן שמורגש עד היום. כל תלמיד לומד את משוואת E=MC2 המפורסמת שלו כדי להבין איך מסה ואנרגיה קשורים. זוהי אחת העובדות הבסיסיות לקיומו של הקוסמוס.
מהו הקבוע הקוסמולוגי?
עמוקות ככל שהיו משוואות היחסות הכללית של איינשטיין, הן הציגו בעיה. הוא ביקש להסביר כיצד קיימים מסה ואור ביקום, כיצד האינטראקציה ביניהם יכולה להוביל ליקום סטטי (כלומר, לא מתרחב). לרוע המזל, המשוואות שלו חזו שהיא תתכווץ או תתרחב, ותמשיך לעשות זאת לנצח, אבל בסופו של דבר תגיע לנקודה שבה היא תתכווץ.
זה לא הרגיש לו נכון, אז איינשטיין היה צריך להסביר דרך להחזיק את כוח המשיכה,להסביר את היקום הסטטי. אחרי הכל, רוב הפיזיקאים והאסטרונומים של זמנו פשוט הניחו שזה המצב. אז איינשטיין המציא את גורם הפאדג', שנקרא "הקבוע הקוסמולוגי", שנתן סדר למשוואות והביא ליקום שאינו מתרחב ואינו מתכווץ. הוא מצא את הסימן "למבדה" (אות יוונית), המציין את צפיפות האנרגיה בוואקום של החלל. היא שולטת בהרחבה, והחסר שלה עוצר את התהליך הזה. כעת היה צורך בגורם שיסביר את התיאוריה הקוסמולוגית.
איך לחשב?
אלברט איינשטיין הציג את הגרסה הראשונה של תורת היחסות הכללית (GR) לציבור ב-25 בנובמבר 1915. המשוואות המקוריות של איינשטיין נראו כך:
בעולם המודרני, הקבוע הקוסמולוגי הוא:
משוואה זו מתארת את תורת היחסות. כמו כן, קבוע נקרא גם איבר למבדה.
גלקסיות והיקום המתרחב
הקבוע הקוסמולוגי לא תיקן דברים כפי שהוא ציפה. למעשה, זה עבד, אבל רק לזמן מה. בעיית הקבוע הקוסמולוגי לא נפתרה.
זה המשיך עד שמדען צעיר אחר, אדווין האבל, ביצע תצפית עמוקה על כוכבים משתנים בגלקסיות רחוקות. ההבהוב שלהם חשף את המרחקים למבנים קוסמיים אלה ועוד.
העבודה של האבל הוכיחהלא רק שהיקום כלל גלקסיות רבות אחרות, אלא שכפי שהתברר, הוא התרחב, ועכשיו אנחנו יודעים שקצב התהליך הזה משתנה עם הזמן. זה הפחית במידה רבה את הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין לאפס, והמדען הגדול נאלץ לשנות את הנחותיו. החוקרים לא נטשו אותו לחלוטין. עם זאת, איינשטיין כינה מאוחר יותר את הוספת הקבוע שלו לתורת היחסות הכללית הטעות הגדולה ביותר בחייו. אבל האם זה?
קבוע קוסמולוגי חדש
בשנת 1998, צוות של מדענים שעבד עם טלסקופ החלל האבל, שחקר סופרנובות רחוקות, הבחין במשהו בלתי צפוי לחלוטין: התפשטות היקום מואצת. יתרה מכך, קצב התהליך אינו מה שהם ציפו והיה בעבר.
בהתחשב בכך שהיקום מלא במסה, נראה הגיוני שההתפשטות תאט, גם אם היא הייתה כל כך קטנה. לפיכך, נראה היה שגילוי זה סותר את מה שחזו המשוואות והקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין. אסטרונומים לא הבינו איך להסביר את האצת ההתפשטות לכאורה. למה, איך זה קורה?
תשובות לשאלות
כדי להסביר את התאוצה והמושגים הקוסמולוגיים לגביה, מדענים חזרו לרעיון של התיאוריה המקורית.
ההשערה האחרונה שלהם לא שוללת את קיומו של משהו שנקרא אנרגיה אפלה. זה משהו שאי אפשר לראות או להרגיש, אבל את ההשפעות שלו אפשר למדוד. זה אותו דבר כמו חשוךחומר: ניתן לקבוע את השפעתו על פי האופן שבו הוא משפיע על חומר האור והנראה לעין.
ייתכן שהאסטרונומים עדיין לא יודעים מהי האנרגיה האפלה הזו. עם זאת, הם יודעים שזה משפיע על התפשטות היקום. כדי להבין תהליכים אלה, נדרש יותר זמן לתצפית וניתוח. אולי התיאוריה הקוסמולוגית היא לא רעיון כל כך רע בכל זאת? אחרי הכל, ניתן להסביר זאת על ידי הנחה שאכן קיימת אנרגיה אפלה. ככל הנראה, זה נכון ומדענים צריכים לחפש הסברים נוספים.
מה קרה בהתחלה?
המודל הקוסמולוגי המקורי של איינשטיין היה מודל סטטי הומוגני עם גיאומטריה כדורית. השפעת הכבידה של החומר גרמה להאצה במבנה זה, שאיינשטיין לא הצליח להסביר, שכן באותה תקופה לא היה ידוע שהיקום מתפשט. לכן, המדען הכניס את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות היחסות הכללית שלו. קבוע זה מוחל כדי לנטרל את כוח המשיכה של החומר, ולכן הוא תואר כאפקט האנטי-גרביטציוני.
אומגה למבדה
במקום הקבוע הקוסמולוגי עצמו, החוקרים מתייחסים לא פעם לקשר בין צפיפות האנרגיה הנובעת ממנו לבין הצפיפות הקריטית של היקום. ערך זה מסומן בדרך כלל באופן הבא: ΩΛ. ביקום שטוח, ΩΛ מתאים לשבריר מצפיפות האנרגיה שלו, המוסבר גם על ידי הקבוע הקוסמולוגי.
שים לב שהגדרה זו קשורה לצפיפות הקריטית של העידן הנוכחי. זה משתנה עם הזמן, אבל הצפיפותהאנרגיה, עקב הקבוע הקוסמולוגי, נשארת ללא שינוי לאורך ההיסטוריה של היקום.
בואו נשקול עוד כיצד מדענים מודרניים מפתחים את התיאוריה הזו.
הוכחה קוסמולוגית
המחקר הנוכחי של היקום המואץ פעיל מאוד כעת, עם ניסויים רבים ושונים המכסים סולמות זמן, סולמות אורך ותהליכים פיזיקליים שונים בתכלית. נוצר מודל CDM קוסמולוגי, שבו היקום שטוח ובעל המאפיינים הבאים:
- צפיפות אנרגיה, שהיא כ-4% מהחומר הבריוני;
- 23% חומר אפל;
- 73% מהקבוע הקוסמולוגי.
התוצאה התצפיתית הקריטית שהביאה את הקבוע הקוסמולוגי למשמעותו הנוכחית הייתה התגלית שסופרנובות רחוקות מסוג Ia (0<z<1) ששימשו כנרות סטנדרטיים היו חלשות מהצפוי ביקום מאט. מאז, קבוצות רבות אישרו תוצאה זו עם יותר סופרנובות ומגוון רחב יותר של הסטה לאדום.
בוא נסביר ביתר פירוט. חשיבות מיוחדת בחשיבה הקוסמולוגית הנוכחית הן התצפיות לפיהן סופרנובות בהסטה לאדום גבוהה במיוחד (z>1) בהירות מהצפוי, וזו חתימה שצפויה מזמן ההאטה עד לתקופת התאוצה הנוכחית שלנו. לפני פרסום תוצאות הסופרנובה ב-1998, כבר היו כמה שורות של ראיות שסללו את הדרך למהירות יחסיתקבלת תורת האצה של היקום בעזרת סופרנובות. במיוחד, שלושה מהם:
- התברר שהיקום צעיר יותר מהכוכבים העתיקים ביותר. האבולוציה שלהם נחקרה היטב, ותצפיות עליהם בצבירים כדוריים ובמקומות אחרים מראות שהתצורות העתיקות ביותר הן בנות יותר מ-13 מיליארד שנים. אנו יכולים להשוות זאת לגיל היקום על ידי מדידת קצב ההתפשטות שלו כיום ומעקב אחורה לתקופת המפץ הגדול. אם היקום יאט למהירותו הנוכחית, אז הגיל יהיה קטן יותר מאשר אם הוא יאיץ לקצב הנוכחי שלו. יקום שטוח וחומר בלבד יהיה בן כ-9 מיליארד שנים, בעיה גדולה בהתחשב בכך שהוא צעיר בכמה מיליארדי שנים מהכוכבים העתיקים ביותר. מצד שני, יקום שטוח עם 74% מהקבוע הקוסמולוגי יהיה בן כ-13.7 מיליארד שנים. אז לראות שהיא מאיצה כרגע פתר את פרדוקס הגיל.
- יותר מדי גלקסיות רחוקות. מספרם כבר נמצא בשימוש נרחב בניסיונות להעריך את האטת התפשטות היקום. כמות הרווח בין שתי הסחות לאדום משתנה בהתאם להיסטוריית ההתרחבות (עבור זווית מוצקה נתונה). תוך שימוש במספר הגלקסיות בין שתי הסטה לאדום כמדד לנפח החלל, צופים קבעו שעצמים מרוחקים נראים גדולים מדי בהשוואה לתחזיות של יקום מאט. או שהבהירות של הגלקסיות או מספרן ליחידת נפח התפתחו עם הזמן בדרכים בלתי צפויות, או שהנפחים שחישבנו היו שגויים. העניין המאיץ יכוליסביר את התצפיות מבלי להפעיל שום תיאוריה מוזרה של התפתחות הגלקסיות.
- השטוחות הניתנת לצפייה של היקום (למרות עדויות לא שלמות). באמצעות מדידות של תנודות טמפרטורה ברקע המיקרוגל הקוסמי (CMB), מאז התקופה שבה היקום היה בן כ-380,000 שנים, ניתן להסיק שהוא שטוח מבחינה מרחבית עד לאחוזים בודדים. על ידי שילוב של נתונים אלו עם מדידה מדויקת של צפיפות החומר ביקום, מתברר שיש לו רק כ-23% מהצפיפות הקריטית. אחת הדרכים להסביר את צפיפות האנרגיה החסרה היא ליישם את הקבוע הקוסמולוגי. כפי שהתברר, כמות מסוימת שלו פשוט נחוצה כדי להסביר את התאוצה שנצפתה בנתוני הסופרנובה. זה היה רק הגורם הדרוש כדי להפוך את היקום לשטוח. לכן, הקבוע הקוסמולוגי פתר את הסתירה לכאורה בין תצפיות בצפיפות החומר לבין CMB.
מה הטעם?
כדי לענות על השאלות שעולות, שקול את הדברים הבאים. בואו ננסה להסביר את המשמעות הפיזית של הקבוע הקוסמולוגי.
אנחנו לוקחים את משוואת GR-1917 ומוציאים את הטנזור המטרי gab מחוץ לסוגריים. לכן, בתוך הסוגריים יהיה לנו את הביטוי (R / 2 - Λ). הערך של R מיוצג ללא מדדים - זוהי העקמומיות הסקלרית הרגילה. אם אתה מסביר על האצבעות - זה ההדדיות של רדיוס המעגל / הכדור. רווח שטוח מתאים ל-R=0.
בפירוש זה, ערך שאינו אפס של Λ פירושו שהיקום שלנו עקוםבפני עצמו, כולל בהיעדר כוח משיכה כלשהו. עם זאת, רוב הפיזיקאים אינם מאמינים בכך ומאמינים שלעקמומיות הנצפית חייבת להיות סיבה פנימית כלשהי.
חומר אפל
מונח זה משמש לחומר היפותטי ביקום. הוא נועד להסביר הרבה בעיות עם המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי של המפץ הגדול. אסטרונומים מעריכים שכ-25% מהיקום מורכב מחומר אפל (אולי מורכב מחלקיקים לא סטנדרטיים כמו ניטרינו, אקסיון או חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה [WIMPs]). ו-70% מהיקום בדגמים שלהם מורכבים מאנרגיה אפלה מעורפלת עוד יותר, ומשאירים רק 5% לחומר רגיל.
קוסמולוגיה בריאתנית
ב-1915, איינשטיין פתר את בעיית פרסום תורת היחסות הכללית שלו. היא הראתה שהקדנציה החריגה היא תוצאה של האופן שבו כוח הכבידה מעוות את המרחב והזמן ושולט בתנועות כוכבי הלכת כשהם קרובים במיוחד לגופים מסיביים, שבהם העקמומיות של החלל בולטת ביותר.
כוח הכבידה הניוטוני אינו תיאור מדויק במיוחד של תנועה פלנטרית. במיוחד כאשר עקמומיות החלל מתרחקת מהשטוח האוקלידי. ותורת היחסות הכללית מסבירה את ההתנהגות הנצפית כמעט במדויק. לפיכך, לא היה צורך בחומר אפל, שכמה שהציעו נמצא בטבעת בלתי נראית של חומר מסביב לשמש, ולא בכוכב הלכת וולקן עצמו, כדי להסביר את האנומליה.
מסקנות
בימים הראשוניםהקבוע הקוסמולוגי יהיה זניח. בזמנים מאוחרים יותר, צפיפות החומר תהיה בעצם אפס, והיקום יהיה ריק. אנו חיים בתקופה קוסמולוגית קצרה שבה הן החומר והן הריק הם בגודל דומה.
בתוך מרכיב החומר, כנראה, יש תרומות גם מבאריונים וגם ממקור לא-בריוני, שניהם ברי השוואה (לפחות, היחס ביניהם אינו תלוי בזמן). התיאוריה הזו מתנודדת תחת משקל חוסר הטבעיות שלה, אבל בכל זאת חוצה את קו הסיום הרבה לפני המתחרים, כך שהיא מתאימה לנתונים.
בנוסף לאישוש (או להפריך) תרחיש זה, האתגר העיקרי של קוסמולוגים ופיזיקאים בשנים הקרובות יהיה להבין האם ההיבטים הלא נעימים הללו של היקום שלנו הם פשוט צירופי מקרים מדהימים או בעצם משקפים מבנה בסיסי שאנו עדיין לא מבין.
אם יתמזל מזלנו, כל מה שנראה עכשיו לא טבעי ישמש מפתח להבנה עמוקה יותר של הפיזיקה הבסיסית.
