Im frühen 20. Jahrhundert untersuchte ein junger Wissenschaftler namens Albert Einstein die Eigenschaften von Licht und Masse und ihre Beziehung zueinander. Das Ergebnis seiner Überlegungen war die Relativitätstheorie. Seine Arbeit veränderte die moderne Physik und Astronomie in einer bis heute spürbaren Weise. Jeder Schüler studiert seine berühmte E=MC2-Gleichung, um zu verstehen, wie Masse und Energie zusammenhängen. Dies ist eine der grundlegenden Tatsachen der Existenz des Kosmos.
Was ist die kosmologische Konstante?
So tiefgreifend Einsteins Gleichungen für die Allgemeine Relativitätstheorie auch waren, sie stellten ein Problem dar. Er versuchte zu erklären, wie Masse und Licht im Universum existieren, wie ihre Wechselwirkung zu einem statischen (d. h. nicht expandierenden) Universum führen kann. Leider sagten seine Gleichungen voraus, dass es sich entweder zusammenziehen oder ausdehnen würde und dies für immer tun würde, aber schließlich einen Punkt erreichen würde, an dem es sich zusammenziehen würde.
Es fühlte sich für ihn nicht richtig an, also musste Einstein erklären, wie man die Schwerkraft hält,das statische Universum zu erklären. Schließlich nahmen die meisten Physiker und Astronomen seiner Zeit einfach an, dass dies der Fall sei. Also erfand Einstein den Fudge-Faktor, genannt „kosmologische Konstante“, der den Gleichungen Ordnung gab und zu einem Universum führte, das sich weder ausdehnt noch zusammenzieht. Er erfand das Zeichen „Lambda“(griechischer Buchstabe), das die Energiedichte im Vakuum des Weltraums bezeichnet. Es steuert die Expansion, und sein Fehlen stoppt diesen Prozess. Nun wurde ein Faktor benötigt, um die kosmologische Theorie zu erklären.
Wie berechnet man?
Albert Einstein stellte am 25. November 1915 die erste Version der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) der Öffentlichkeit vor. Einsteins ursprüngliche Gleichungen sahen so aus:
In der modernen Welt ist die kosmologische Konstante:
Diese Gleichung beschreibt die Relativitätstheorie. Außerdem wird eine Konstante auch als Lambda-Mitglied bezeichnet.
Galaxien und das expandierende Universum
Die kosmologische Konstante hat die Dinge nicht so in Ordnung gebracht, wie er es erwartet hatte. Eigentlich hat es funktioniert, aber nur für eine Weile. Das Problem der kosmologischen Konstante ist nicht gelöst.
Das ging so weiter, bis ein anderer junger Wissenschaftler, Edwin Hubble, eine gründliche Beobachtung veränderlicher Sterne in fernen Galaxien machte. Ihr Flackern enthüllte die Entfernungen zu diesen kosmischen Strukturen und mehr.
Hubbles Arbeit hat gezeigtnicht nur, dass das Universum viele andere Galaxien umfasste, sondern wie sich herausstellte, expandierte es, und jetzt wissen wir, dass sich die Geschwindigkeit dieses Prozesses im Laufe der Zeit ändert. Dadurch wurde Einsteins kosmologische Konstante weitgehend auf Null reduziert, und der große Wissenschaftler musste seine Annahmen revidieren. Forscher haben es nicht vollständig aufgegeben. Später nannte Einstein jedoch das Hinzufügen seiner Konstante zur allgemeinen Relativitätstheorie den größten Fehler seines Lebens. Aber ist es das?
Neue kosmologische Konstante
Im Jahr 1998 bemerkte ein Team von Wissenschaftlern, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop arbeiteten und entfernte Supernovae untersuchten, etwas völlig Unerwartetes: Die Expansion des Universums beschleunigt sich. Darüber hinaus ist das Tempo des Prozesses nicht das, was sie erwartet hatten und in der Vergangenheit waren.
Angesichts der Tatsache, dass das Universum voller Masse ist, scheint es logisch, dass sich die Expansion verlangsamen sollte, selbst wenn sie so gering wäre. Somit schien diese Entdeckung dem zu widersprechen, was die Gleichungen und Einsteins kosmologische Konstante vorhersagten. Die Astronomen verstanden nicht, wie sie die scheinbare Beschleunigung der Expansion erklären sollten. Warum, wie passiert das?
Antworten auf Fragen
Um die Beschleunigung und die kosmologischen Vorstellungen darüber zu erklären, sind Wissenschaftler auf die Idee der ursprünglichen Theorie zurückgekehrt.
Ihre neuesten Spekulationen schließen die Existenz von etwas namens dunkler Energie nicht aus. Es ist etwas, das man nicht sehen oder fühlen kann, aber seine Auswirkungen können gemessen werden. Es ist dasselbe wie dunkelMaterie: ihre Wirkung kann dadurch bestimmt werden, wie sie Licht und sichtbare Materie beeinflusst.
Astronomen wissen vielleicht noch nicht, was diese dunkle Energie ist. Sie wissen jedoch, dass es die Expansion des Universums beeinflusst. Um diese Prozesse zu verstehen, wird mehr Zeit für Beobachtung und Analyse benötigt. Vielleicht ist die kosmologische Theorie doch gar keine so schlechte Idee? Schließlich lässt es sich erklären, indem man annimmt, dass dunkle Energie existiert. Anscheinend stimmt das und Wissenschaftler müssen nach weiteren Erklärungen suchen.
Was ist am Anfang passiert?
Einsteins ursprüngliches kosmologisches Modell war ein statisches homogenes Modell mit einer sphärischen Geometrie. Die Gravitationswirkung der Materie verursachte in dieser Struktur eine Beschleunigung, die Einstein nicht erklären konnte, da zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt war, dass sich das Universum ausdehnt. Deshalb führte der Wissenschaftler die kosmologische Konstante in seine Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ein. Diese Konstante wird angewendet, um der Anziehungskraft der Materie entgegenzuwirken, und wurde daher als Antigravitationseffekt beschrieben.
Omega-Lambda
Anstelle der kosmologischen Konstante selbst beziehen sich Forscher oft auf den Zusammenhang zwischen der darauf beruhenden Energiedichte und der kritischen Dichte des Universums. Dieser Wert wird üblicherweise wie folgt bezeichnet: ΩΛ. In einem flachen Universum entspricht ΩΛ einem Bruchteil seiner Energiedichte, was auch durch die kosmologische Konstante erklärt wird.
Beachte, dass diese Definition mit der kritischen Dichte der aktuellen Epoche zusammenhängt. Es ändert sich mit der Zeit aber die DichteEnergie bleibt aufgrund der kosmologischen Konstante während der gesamten Geschichte des Universums unverändert.
Lassen Sie uns weiter überlegen, wie moderne Wissenschaftler diese Theorie entwickeln.
Kosmologischer Beweis
Die aktuelle Untersuchung des sich beschleunigenden Universums ist jetzt sehr aktiv, mit vielen verschiedenen Experimenten, die sehr unterschiedliche Zeitskalen, Längenskalen und physikalische Prozesse abdecken. Es wurde ein kosmologisches CDM-Modell erstellt, in dem das Universum flach ist und die folgenden Eigenschaften aufweist:
- Energiedichte, die etwa 4 % der baryonischen Materie ausmacht;
- 23% Dunkle Materie;
- 73% der kosmologischen Konstante.
Das kritische Beobachtungsergebnis, das die kosmologische Konstante zu ihrer aktuellen Bedeutung brachte, war die Entdeckung, dass entfernte Supernovae vom Typ Ia (0<z<1), die als Standardkerzen verwendet wurden, in einem langsamer werdenden Universum schwächer als erwartet waren. Seitdem haben viele Gruppen dieses Ergebnis mit mehr Supernovae und einer größeren Bandbreite an Rotverschiebungen bestätigt.
Lassen Sie es uns genauer erklären. Von besonderer Bedeutung für das aktuelle kosmologische Denken sind die Beobachtungen, dass Supernovae mit extrem hoher Rotverschiebung (z>1) heller sind als erwartet, was eine Signatur ist, die von der Verzögerungszeit bis zu unserer aktuellen Beschleunigungsperiode erwartet wird. Vor der Veröffentlichung der Supernova-Ergebnisse im Jahr 1998 gab es bereits mehrere Beweislinien, die den Weg für eine relativ schnelle Entwicklung ebnetenAkzeptanz der Theorie der Beschleunigung des Universums mit Hilfe von Supernovae. Insbesondere drei von ihnen:
- Das Universum erwies sich als jünger als die ältesten Sterne. Ihre Entwicklung wurde gut untersucht, und Beobachtungen von ihnen in Kugelsternhaufen und anderswo zeigen, dass die ältesten Formationen über 13 Milliarden Jahre alt sind. Wir können dies mit dem Alter des Universums vergleichen, indem wir seine Expansionsrate heute messen und bis zur Zeit des Urknalls zurückverfolgen. Wenn sich das Universum auf seine aktuelle Geschwindigkeit verlangsamen würde, wäre das Alter geringer, als wenn es auf seine aktuelle Geschwindigkeit beschleunigen würde. Ein flaches Universum, das nur aus Materie besteht, wäre etwa 9 Milliarden Jahre alt, was ein großes Problem darstellt, wenn man bedenkt, dass es mehrere Milliarden Jahre jünger ist als die ältesten Sterne. Andererseits wäre ein flaches Universum mit 74 % der kosmologischen Konstante etwa 13,7 Milliarden Jahre alt. Zu sehen, dass sie derzeit schneller wird, löste das Altersparadoxon.
- Zu viele entfernte Galaxien. Ihre Zahl wurde bereits häufig bei Versuchen verwendet, die Verlangsamung der Expansion des Universums abzuschätzen. Der Abstand zwischen zwei Rotverschiebungen ist je nach Ausdehnungsverlauf (für einen gegebenen Raumwinkel) unterschiedlich. Unter Verwendung der Anzahl von Galaxien zwischen zwei Rotverschiebungen als Maß für das Raumvolumen haben Beobachter festgestellt, dass entfernte Objekte im Vergleich zu Vorhersagen eines langsamer werdenden Universums zu groß erscheinen. Entweder hat sich die Leuchtkraft von Galaxien oder ihre Anzahl pro Volumeneinheit im Laufe der Zeit auf unerwartete Weise entwickelt, oder die von uns berechneten Volumina waren falsch. Die beschleunigende Materie könntewürde die Beobachtungen erklären, ohne irgendeine seltsame Theorie der Galaxienentwicklung auszulösen.
- Die beobachtbare Flachheit des Universums (trotz unvollständiger Beweise). Aus Messungen der Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) seit dem Alter des Universums von etwa 380.000 Jahren lässt sich schließen, dass es räumlich auf wenige Prozent genau flach ist. Durch die Kombination dieser Daten mit einer genauen Messung der Materiedichte im Universum wird deutlich, dass sie nur etwa 23 % der kritischen Dichte aufweist. Eine Möglichkeit, die fehlende Energiedichte zu erklären, ist die Anwendung der kosmologischen Konstante. Wie sich herausstellte, ist ein gewisses Maß davon einfach notwendig, um die in den Supernova-Daten beobachtete Beschleunigung zu erklären. Das war genau der Faktor, der nötig war, um das Universum flach zu machen. Daher löste die kosmologische Konstante den scheinbaren Widerspruch zwischen Beobachtungen der Materiedichte und CMB auf.
Was ist der Sinn?
Um die aufkommenden Fragen zu beantworten, bedenken Sie Folgendes. Versuchen wir, die physikalische Bedeutung der kosmologischen Konstante zu erklären.
Wir nehmen die GR-Gleichung-1917 und setzen den metrischen Tensor gab aus Klammern. Daher haben wir in den Klammern den Ausdruck (R / 2 - Λ). Der Wert von R wird ohne Indizes dargestellt – dies ist die übliche, skalare Krümmung. Wenn Sie an den Fingern erklären, ist dies der Kehrwert des Radius des Kreises / der Kugel. Flacher Raum entspricht R=0.
In dieser Interpretation bedeutet ein Wert von Λ ungleich Null, dass unser Universum gekrümmt istvon selbst, auch ohne Schwerkraft. Die meisten Physiker glauben dies jedoch nicht und glauben, dass die beobachtete Krümmung eine interne Ursache haben muss.
Dunkle Materie
Dieser Begriff wird für hypothetische Materie im Universum verwendet. Es soll viele Probleme mit dem kosmologischen Standardmodell des Urknalls erklären. Astronomen schätzen, dass etwa 25 % des Universums aus dunkler Materie besteht (vielleicht zusammengesetzt aus nicht standardmäßigen Teilchen wie Neutrinos, Axionen oder schwach wechselwirkenden massiven Teilchen [WIMPs]). Und 70 % des Universums bestehen in ihren Modellen aus noch dunklerer dunkler Energie, sodass nur 5 % für gewöhnliche Materie übrig bleiben.
Kreationistische Kosmologie
1915 löste Einstein das Problem der Veröffentlichung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie zeigte, dass die anomale Präzession eine Folge davon ist, wie die Schwerkraft Raum und Zeit verzerrt und die Bewegungen der Planeten kontrolliert, wenn sie sich besonders nahe an massiven Körpern befinden, wo die Krümmung des Raums am ausgeprägtesten ist.
Newtonsche Gravitation ist keine sehr genaue Beschreibung der Planetenbewegung. Vor allem, wenn sich die Krümmung des Raums von der euklidischen Ebenheit entfernt. Und die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt das beobachtete Verh alten fast genau. Daher waren weder dunkle Materie, die sich in einem unsichtbaren Materiering um die Sonne befindet, noch der Planet Vulkan selbst erforderlich, um die Anomalie zu erklären.
Schlussfolgerungen
In den Anfängendie kosmologische Konstante wäre vernachlässigbar. Zu späteren Zeiten wird die Materiedichte im Wesentlichen Null sein und das Universum wird leer sein. Wir leben in dieser kurzen kosmologischen Epoche, in der Materie und Vakuum von vergleichbarer Größe sind.
Innerhalb der Materiekomponente gibt es anscheinend Beiträge sowohl von Baryonen als auch von einer Nicht-Baryonenquelle, beide sind vergleichbar (zumindest hängt ihr Verhältnis nicht von der Zeit ab). Diese Theorie wackelt unter dem Gewicht ihrer Unnatürlichkeit, überquert aber dennoch die Ziellinie weit vor der Konkurrenz, so gut passt sie zu den Daten.
Neben der Bestätigung (oder Widerlegung) dieses Szenarios wird die größte Herausforderung für Kosmologen und Physiker in den kommenden Jahren darin bestehen, zu verstehen, ob diese scheinbar unangenehmen Aspekte unseres Universums einfach erstaunliche Zufälle sind oder tatsächlich unsere grundlegende Struktur widerspiegeln verstehe noch nicht.
Wenn wir Glück haben, dient uns alles, was jetzt unnatürlich erscheint, als Schlüssel zu einem tieferen Verständnis der grundlegenden Physik.
