მე-20 საუკუნის დასაწყისში, ახალგაზრდა მეცნიერმა, სახელად ალბერტ აინშტაინმა, შეისწავლა სინათლისა და მასის თვისებები და როგორ უკავშირდება ისინი ერთმანეთს. მისი ასახვის შედეგი იყო ფარდობითობის თეორია. მისმა შრომამ შეცვალა თანამედროვე ფიზიკა და ასტრონომია ისე, როგორც დღესაც იგრძნობა. თითოეული სტუდენტი სწავლობს მათ ცნობილ E=MC2 განტოლებას იმის გასაგებად, თუ როგორ არის დაკავშირებული მასა და ენერგია. ეს არის კოსმოსის არსებობის ერთ-ერთი ფუნდამენტური ფაქტი.
რა არის კოსმოლოგიური მუდმივი?
როგორც ღრმა იყო აინშტაინის განტოლებები ფარდობითობის ფარდობითობისთვის, მათ წარმოადგინეს პრობლემა. ის ცდილობდა აეხსნა, თუ როგორ არსებობს მასა და სინათლე სამყაროში, როგორ შეიძლება მათმა ურთიერთქმედებამ გამოიწვიოს სტატიკური (ანუ გაფართოების გარეშე) სამყარო. სამწუხაროდ, მისი განტოლებები იწინასწარმეტყველა, რომ ის ან შეკუმშდებოდა ან გაფართოვდებოდა და ასე გააგრძელებდა სამუდამოდ, მაგრამ საბოლოოდ მიაღწევდა იმ წერტილს, სადაც შეკუმშვა.
ეს მისთვის არ იყო სწორი, ამიტომ აინშტაინს უნდა აეხსნა გრავიტაციის შეკავების გზა,სტატიკური სამყაროს ასახსნელად. ბოლოს და ბოლოს, მისი დროის ფიზიკოსებისა და ასტრონომების უმეტესობამ უბრალოდ ჩათვალა, რომ ეს ასე იყო. ასე რომ, აინშტაინმა გამოიგონა ფაჯის ფაქტორი, რომელსაც "კოსმოლოგიური მუდმივი" უწოდეს, რომელმაც წესრიგი მისცა განტოლებებს და მიიყვანა სამყარო, რომელიც არც გაფართოება და არც იკუმშება. მან მოიფიქრა ნიშანი "ლამბდა" (ბერძნული ასო), რომელიც აღნიშნავს ენერგიის სიმკვრივეს სივრცის ვაკუუმში. ის აკონტროლებს გაფართოებას და მისი ნაკლებობა აჩერებს ამ პროცესს. ახლა საჭირო იყო ფაქტორი კოსმოლოგიური თეორიის ასახსნელად.
როგორ გამოვთვალოთ?
ალბერტ აინშტაინმა საზოგადოებას 1915 წლის 25 ნოემბერს წარუდგინა ფარდობითობის ზოგადი თეორიის (GR) პირველი ვერსია. აინშტაინის თავდაპირველი განტოლებები ასე გამოიყურებოდა:
თანამედროვე სამყაროში კოსმოლოგიური მუდმივია:
ეს განტოლება აღწერს ფარდობითობის თეორიას. ასევე, მუდმივას ასევე უწოდებენ ლამბდას წევრს.
გალაქტიკები და გაფართოებული სამყარო
კოსმოლოგიურმა მუდმივმა არ დააფიქსირა ყველაფერი ისე, როგორც მას მოელოდა. სინამდვილეში, ეს მუშაობდა, მაგრამ მხოლოდ გარკვეული ხნით. კოსმოლოგიური მუდმივის პრობლემა არ მოგვარებულა.
ეს გაგრძელდა მანამ, სანამ კიდევ ერთმა ახალგაზრდა მეცნიერმა, ედვინ ჰაბლმა არ ჩაატარა ღრმა დაკვირვება ცვლად ვარსკვლავებზე შორეულ გალაქტიკებში. მათმა ციმციმმა გამოავლინა მანძილი ამ კოსმოსურ სტრუქტურებამდე და სხვა.
ჰაბლის მუშაობა აჩვენაარა მხოლოდ ის, რომ სამყარო ბევრ სხვა გალაქტიკას მოიცავდა, არამედ როგორც გაირკვა, ის ფართოვდებოდა და ახლა ჩვენ ვიცით, რომ ამ პროცესის ტემპი დროთა განმავლობაში იცვლება. ამან დიდწილად შეამცირა აინშტაინის კოსმოლოგიური მუდმივი ნულამდე და დიდ მეცნიერს უნდა გადაეხედა თავისი ვარაუდები. მკვლევარებმა იგი მთლიანად არ მიატოვეს. თუმცა, მოგვიანებით აინშტაინმა თავისი მუდმივი ფარდობითობის ზოგად თეორიაში დამატება უწოდა მის ცხოვრებაში ყველაზე დიდ შეცდომას. მაგრამ არის?
ახალი კოსმოლოგიური მუდმივი
1998 წელს, ჰაბლის კოსმოსურ ტელესკოპთან მომუშავე მეცნიერთა ჯგუფმა, რომელიც სწავლობდა შორეულ სუპერნოვას, შენიშნა სრულიად მოულოდნელი რამ: სამყაროს გაფართოება აჩქარებს. უფრო მეტიც, პროცესის ტემპი არ არის ის, რაც მათ მოელოდნენ და იყო წარსულში.
იმის გათვალისწინებით, რომ სამყარო სავსეა მასით, ლოგიკურია, რომ გაფართოება უნდა შენელდეს, თუნდაც ეს ასე მცირე იყოს. ამრიგად, ეს აღმოჩენა ეწინააღმდეგებოდა იმას, რასაც განტოლებები და აინშტაინის კოსმოლოგიური მუდმივი იწინასწარმეტყველეს. ასტრონომებს არ ესმოდათ, როგორ აეხსნათ გაფართოების აშკარა აჩქარება. რატომ, როგორ ხდება ეს?
პასუხები კითხვებზე
აჩქარებისა და მის შესახებ კოსმოლოგიური წარმოდგენების ასახსნელად, მეცნიერები დაუბრუნდნენ თავდაპირველი თეორიის იდეას.
მათი ბოლო სპეკულაცია არ გამორიცხავს რაღაც ბნელი ენერგიის არსებობას. ეს არის ის, რისი დანახვა ან შეგრძნება შეუძლებელია, მაგრამ მისი ეფექტის გაზომვა შესაძლებელია. იგივეა რაც სიბნელემატერია: მისი ეფექტი შეიძლება განისაზღვროს იმის მიხედვით, თუ როგორ მოქმედებს იგი შუქზე და ხილულ მატერიაზე.
ასტრონომებმა შეიძლება ჯერ არ იცოდნენ რა არის ეს ბნელი ენერგია. თუმცა, მათ იციან, რომ ეს გავლენას ახდენს სამყაროს გაფართოებაზე. ამ პროცესების გასაგებად, მეტი დროა საჭირო დაკვირვებისა და ანალიზისთვის. იქნებ კოსმოლოგიური თეორია არც ისე ცუდი იდეაა ბოლოს და ბოლოს? ყოველივე ამის შემდეგ, ეს შეიძლება აიხსნას იმ ვარაუდით, რომ ბნელი ენერგია არსებობს. როგორც ჩანს, ეს სიმართლეა და მეცნიერებმა უნდა მოიძიონ დამატებითი ახსნა.
რა მოხდა დასაწყისში?
აინშტაინის თავდაპირველი კოსმოლოგიური მოდელი იყო სტატიკური ჰომოგენური მოდელი სფერული გეომეტრიით. მატერიის გრავიტაციულმა ეფექტმა გამოიწვია ამ სტრუქტურაში აჩქარება, რაც აინშტაინს არ შეეძლო აეხსნა, რადგან იმ დროს არ იყო ცნობილი სამყაროს გაფართოების შესახებ. აქედან გამომდინარე, მეცნიერმა შემოიტანა კოსმოლოგიური მუდმივი თავის ფარდობითობის ზოგადი განტოლებებში. ეს მუდმივი გამოიყენება მატერიის გრავიტაციული მიზიდულობის დასაპირისპირებლად და ამიტომ იგი აღწერილია, როგორც ანტიგრავიტაციული ეფექტი.
ომეგა ლამბდა
თვით კოსმოლოგიური მუდმივის ნაცვლად, მკვლევარები ხშირად მიმართავენ მის გამომწვევ ენერგიის სიმკვრივესა და სამყაროს კრიტიკულ სიმკვრივეს შორის ურთიერთობას. ეს მნიშვნელობა ჩვეულებრივ აღინიშნება შემდეგნაირად: ΩΛ. ბრტყელ სამყაროში ΩΛ შეესაბამება მისი ენერგიის სიმკვრივის ნაწილს, რაც ასევე აიხსნება კოსმოლოგიური მუდმივით.
გაითვალისწინეთ, რომ ეს განმარტება დაკავშირებულია მიმდინარე ეპოქის კრიტიკულ სიმკვრივესთან. დროთა განმავლობაში იცვლება, მაგრამ სიმკვრივეენერგია, კოსმოლოგიური მუდმივის გამო, უცვლელი რჩება სამყაროს ისტორიის განმავლობაში.
მოდით განვიხილოთ, თუ როგორ ავითარებენ თანამედროვე მეცნიერები ამ თეორიას.
კოსმოლოგიური მტკიცებულება
ამჟამინდელი შესწავლა აჩქარებული სამყაროს შესახებ ახლა ძალიან აქტიურია, მრავალი განსხვავებული ექსპერიმენტით, რომელიც მოიცავს უაღრესად განსხვავებულ დროის მასშტაბებს, სიგრძის მასშტაბებს და ფიზიკურ პროცესებს. შეიქმნა კოსმოლოგიური CDM მოდელი, რომელშიც სამყარო ბრტყელია და აქვს შემდეგი მახასიათებლები:
- ენერგეტიკული სიმკვრივე, რომელიც შეადგენს ბარიონული მატერიის დაახლოებით 4%-ს;
- 23% ბნელი მატერია;
- კოსმოლოგიური მუდმივის 73%.
კრიტიკული დაკვირვების შედეგი, რომელმაც კოსმოლოგიური მუდმივი მის ამჟამინდელ მნიშვნელობამდე მიიყვანა, იყო აღმოჩენა, რომ შორეული ტიპის Ia (0<z<1) სუპერნოვა, რომლებიც გამოიყენება როგორც სტანდარტული სანთლები, უფრო სუსტი იყო ვიდრე მოსალოდნელი იყო შენელებულ სამყაროში. მას შემდეგ ბევრმა ჯგუფმა დაადასტურა ეს შედეგი მეტი სუპერნოვებით და წითელ ცვლის უფრო ფართო სპექტრით.
მოდი ავხსნათ უფრო დეტალურად. ამჟამინდელ კოსმოლოგიურ აზროვნებაში განსაკუთრებული მნიშვნელობა ენიჭება დაკვირვებებს, რომ უკიდურესად მაღალი წითელი გადაადგილების (z>1) სუპერნოვა უფრო კაშკაშაა, ვიდრე მოსალოდნელია, რაც არის ნიშანი, რომელიც მოსალოდნელია შენელების დროიდან, რომელიც მიგვიყვანს ამჟამინდელ აჩქარების პერიოდამდე. 1998 წელს სუპერნოვას შედეგების გამოქვეყნებამდე, უკვე არსებობდა მტკიცებულებების რამდენიმე ხაზი, რომელიც გზას გაუხსნის შედარებით სწრაფს.სამყაროს აჩქარების თეორიის მიღება სუპერნოვების დახმარებით. კერძოდ, სამი მათგანი:
- სამყარო აღმოჩნდა უფრო ახალგაზრდა ვიდრე უძველესი ვარსკვლავები. მათი ევოლუცია კარგად არის შესწავლილი და მათზე დაკვირვება გლობულურ მტევნებში და სხვაგან აჩვენებს, რომ უძველესი წარმონაქმნები 13 მილიარდ წელზე მეტია. ჩვენ შეგვიძლია შევადაროთ ეს სამყაროს ასაკს, თუ გავზომავთ დღეს მისი გაფართოების სიჩქარეს და მივყვებით დიდი აფეთქების დროიდან. თუ სამყარო შეანელებდა ამჟამინდელ სიჩქარეს, მაშინ ასაკი უფრო ნაკლები იქნებოდა, ვიდრე აჩქარებულიყო ახლანდელ სიჩქარემდე. ბრტყელი, მხოლოდ მატერიის შემცველი სამყარო იქნება დაახლოებით 9 მილიარდი წლის, რაც მთავარი პრობლემაა იმის გათვალისწინებით, რომ ის რამდენიმე მილიარდი წლით უმცროსია უძველეს ვარსკვლავებზე. მეორეს მხრივ, ბრტყელი სამყარო კოსმოლოგიური მუდმივის 74% იქნება დაახლოებით 13,7 მილიარდი წლის. ასე რომ, იმის დანახვამ, რომ ის ამჟამად აჩქარებს, გადაჭრა ასაკობრივი პარადოქსი.
- ძალიან ბევრი შორეული გალაქტიკა. მათი რიცხვი უკვე ფართოდ იქნა გამოყენებული სამყაროს გაფართოების შენელების შესაფასებლად. სივრცის რაოდენობა ორ წითელ ცვლას შორის განსხვავდება გაფართოების ისტორიის მიხედვით (მოცემული მყარი კუთხისთვის). ორ წითელ წანაცვლებას შორის გალაქტიკების რაოდენობის გამოყენებით, როგორც სივრცის მოცულობის საზომი, დამკვირვებლებმა დაადგინეს, რომ შორეული ობიექტები შენელებული სამყაროს პროგნოზებთან შედარებით ძალიან დიდია. ან გალაქტიკების სიკაშკაშე ან მათი რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე დროთა განმავლობაში მოულოდნელად ვითარდებოდა, ან ჩვენ მიერ გამოთვლილი მოცულობები არასწორი იყო. აჩქარებულ მატერიას შეეძლოახსნიდა დაკვირვებებს გალაქტიკის ევოლუციის რაიმე უცნაური თეორიის გამოწვევის გარეშე.
- სამყაროს შესამჩნევი სიბრტყე (არასრული მტკიცებულების მიუხედავად). კოსმოსური მიკროტალღური ფონის (CMB) ტემპერატურის რყევების გაზომვების გამოყენებით, იმ დროიდან, როდესაც სამყარო დაახლოებით 380 000 წლის იყო, შეიძლება დავასკვნათ, რომ ის სივრცით ბრტყელია რამდენიმე პროცენტამდე. ამ მონაცემების შეთავსებით სამყაროში მატერიის სიმკვრივის ზუსტი გაზომვით, ცხადი ხდება, რომ მას აქვს კრიტიკული სიმკვრივის მხოლოდ დაახლოებით 23%. დაკარგული ენერგიის სიმკვრივის ახსნის ერთ-ერთი გზა არის კოსმოლოგიური მუდმივის გამოყენება. როგორც გაირკვა, მისი გარკვეული რაოდენობა უბრალოდ აუცილებელია სუპერნოვას მონაცემებში დაფიქსირებული აჩქარების ასახსნელად. ეს იყო მხოლოდ ის ფაქტორი, რომელიც საჭიროა სამყაროს ბრტყლად გასაკეთებლად. ამრიგად, კოსმოლოგიურმა მუდმივმა გადაჭრა აშკარა წინააღმდეგობა მატერიის სიმკვრივესა და CMB-ზე დაკვირვებებს შორის.
რა აზრი აქვს?
გაჩენილ კითხვებზე პასუხის გასაცემად, გაითვალისწინეთ შემდეგი. შევეცადოთ ახსნათ კოსმოლოგიური მუდმივის ფიზიკური მნიშვნელობა.
ვიღებთ GR განტოლებას-1917 და ფრჩხილებიდან ვდებთ მეტრულ ტენსორს gab. ამიტომ, ფრჩხილებში გვექნება გამოთქმა (R / 2 - Λ). R-ის მნიშვნელობა წარმოდგენილია ინდექსების გარეშე - ეს არის ჩვეულებრივი, სკალარული გამრუდება. თუ თითებზე აგიხსნით - ეს არის წრის / სფეროს რადიუსის საპასუხო. ბრტყელი სივრცე შეესაბამება R=0.
ამ ინტერპრეტაციაში Λ-ის არანულოვანი მნიშვნელობა ნიშნავს, რომ ჩვენი სამყარო მრუდია.თავისთავად, ყოველგვარი სიმძიმის არარსებობის ჩათვლით. თუმცა, ფიზიკოსთა უმეტესობას ამის არ სჯერა და თვლის, რომ დაკვირვებულ გამრუდებას რაიმე შინაგანი მიზეზი უნდა ჰქონდეს.
ბნელი მატერია
ეს ტერმინი გამოიყენება სამყაროში არსებული ჰიპოთეტური მატერიისთვის. იგი შექმნილია დიდი აფეთქების სტანდარტული კოსმოლოგიური მოდელის მრავალი პრობლემის ასახსნელად. ასტრონომები ვარაუდობენ, რომ სამყაროს დაახლოებით 25% შედგება ბნელი მატერიისგან (შესაძლოა შეკრებილი არასტანდარტული ნაწილაკებისგან, როგორიცაა ნეიტრინოები, აქსიონები ან სუსტი ურთიერთქმედების მასიური ნაწილაკები [WIMP]). და მათ მოდელებში სამყაროს 70% შედგება კიდევ უფრო ბუნდოვანი ბნელი ენერგიისგან, რაც მხოლოდ 5%-ს ტოვებს ჩვეულებრივი მატერიისთვის.
კრეაციონისტური კოსმოლოგია
1915 წელს აინშტაინმა გადაჭრა ფარდობითობის ზოგადი თეორიის გამოქვეყნების პრობლემა. მან აჩვენა, რომ ანომალიური პრეცესია არის იმის შედეგი, თუ როგორ ამახინჯებს გრავიტაცია სივრცესა და დროს და აკონტროლებს პლანეტების მოძრაობას, როდესაც ისინი განსაკუთრებით ახლოს არიან მასიურ სხეულებთან, სადაც სივრცის გამრუდება ყველაზე გამოხატულია.
ნიუტონის გრავიტაცია არ არის პლანეტების მოძრაობის ძალიან ზუსტი აღწერა. განსაკუთრებით მაშინ, როცა სივრცის გამრუდება შორდება ევკლიდეს სიბრტყეს. და ზოგადი ფარდობითობა თითქმის ზუსტად ხსნის დაკვირვებულ ქცევას. ამრიგად, არც ბნელი მატერია, რომელიც ზოგიერთი ვარაუდობს, რომ მზის გარშემო მატერიის უხილავ რგოლში იყო და არც თავად პლანეტა ვულკანი, არ იყო საჭირო ანომალიის ასახსნელად.
დასკვნა
პირველ დღეებშიკოსმოლოგიური მუდმივი იქნება უმნიშვნელო. მოგვიანებით, მატერიის სიმკვრივე არსებითად ნულის ტოლი იქნება და სამყარო ცარიელი იქნება. ჩვენ ვცხოვრობთ იმ მოკლე კოსმოლოგიურ ეპოქაში, როდესაც მატერიაც და ვაკუუმიც შესადარებელი სიდიდისაა.
მატერიის კომპონენტში, როგორც ჩანს, არის წვლილი როგორც ბარიონებიდან, ასევე არაბარიონების წყაროდან, ორივე შედარებადია (ყოველ შემთხვევაში, მათი თანაფარდობა დროზე არ არის დამოკიდებული). ეს თეორია ირხევა თავისი არაბუნებრივი სიმძიმის ქვეშ, მაგრამ მაინც კვეთს ფინიშის ხაზს კონკურენციის წინ, ასე კარგად ერგება მონაცემებს.
ამ სცენარის დადასტურების (ან უარყოფის) გარდა, კოსმოლოგებისა და ფიზიკოსების მთავარი გამოწვევა უახლოეს წლებში იქნება იმის გაგება, არის თუ არა ჩვენი სამყაროს ეს ერთი შეხედვით არასასიამოვნო ასპექტები უბრალოდ გასაოცარი დამთხვევები თუ რეალურად ასახავს ჩვენს ძირითად სტრუქტურას. ჯერ არ მესმის.
თუ ჩვენ გაგვიმართლა, ყველაფერი, რაც ახლა არაბუნებრივად გვეჩვენება, ფუნდამენტური ფიზიკის უფრო ღრმა გაგების გასაღები იქნება.
