Космологическая константа: как «величайшая ошибка» Эйнштейна стала растущей проблемой
banner
banner
banner
banner

Космологическая константа: как «величайшая ошибка» Эйнштейна стала растущей проблемой

5
The Cosmological Constant. Einstein's 'greatest blunder' is an expanding problem
Космологическая константа, представленная греческой буквой лямбда, – «величайшая ошибка» Эйнштейна – расширяющаяся проблема

Космологическая постоянная является проблемой. На самом деле, это занижение, космологическая постоянная была проблемой, проблемой и всегда может быть проблемой. Чтобы понять, почему эта маленькая константа вызвала такой стресс у космологов, необходимо разделить ее историю на две совершенно разные эпохи и, возможно, затем рассмотреть ее будущее. Таким образом, это введение в космологическую константу, которым призрак Марли был для Скруджа. Предупреждение о путешествии через его историю, его будущее и, возможно, предлагая ему намек на выкуп.

Современные теоретические оценки космологической постоянной отличаются от экспериментальных измерений такой шокирующей и огромной величиной, что ее часто называют «худшим прогнозом в истории науки». И поскольку эти значения обеспечиваются не унитарными областями физической квантовой теории поля и общей теории относительности, соответственно, нахождение приемлемого значения для константы или даже причина, по которой значения расходятся так сильно, может стать ключом к нахождению квантовой теории. гравитации.

Прежде чем отправиться в это путешествие, давайте сначала познакомимся с нашим Скруджем – центральным персонажем этой потенциальной арки искупления. Космологическая постоянная представляет теперь нечто иное, чем когда она была впервые введена.

Самый простой способ понять, что это значит сейчас, – это рассмотреть темную энергию – гипотетическую силу, разделяющую Вселенную – как физическое проявление космологической постоянной. Таким образом, повторное раскрытие тайны космологической постоянной может стать ключом к открытию, что именно представляет собой темная энергия, и, в свою очередь, к открытию, как будет выглядеть окончательная судьба Вселенной.

Во многих отношениях космологическую постоянную можно рассматривать как «точку отсчета» гравитации, значение силы, которая отталкивается при притяжении гравитации. Это то, что связывает настоящее с прошлым.

Самая большая ошибка Эйнштейна?

Иногда ошеломляет мысль, что самая большая проблема в современной физике – это похмелье от 1917. Учитывая все наши достижения в понимании нашей Вселенной, как этот маленький элемент может создать такую ​​проблему?

Ключом к пониманию того, почему космологическая константа была таким занозой на стороне физики, является понимание того, как она смутила величайшего из когда-либо живших физиков – Альберта Эйнштейна.

Космологическая постоянная, часто представляемая греческой буквой Lambda (λ) , было добавлено к уравнениям поля Эйнштейна, чтобы сбалансировать силу тяжести. Это объясняется тем фактом, что если во Вселенной действует только гравитация – сила притяжения, то как она не может уменьшаться? Как это вообще сформировалось, если все материи естественным образом сближены?

Эйнштейн считал, что его полевым уравнениям нужен отталкивающий фактор, чтобы уравновесить притягивающую силу гравитации, и если это звучит как специальное решение – фактор выдумки – то потому, что это было , Космологическая постоянная была не только чем-то произвольным, но и делала уравнения поля нестабильными. Небольшое изменение должно, согласно этим пересмотренным уравнениям, привести к выпадению Вселенной из статического состояния. Например, если разделение увеличивается, гравитационное притяжение уменьшается, а отталкивание увеличивается, что приводит к дальнейшему отклонению от исходного состояния.

Эйнштейн повлиял на введение космологической постоянной тем фактом, что научный консенсус в 1917 было то, что Вселенная была статичной – ни расширяющейся, ни сжимающейся – и Эйнштейн согласился с консенсусом. К сожалению, его уравнения поля не согласны.

Полевые уравнения общей теории относительности не учитывали статическую вселенную, предсказывая, что Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Таким образом, первая роль, которую космологическая постоянная должна была оказать отрицательное давление, чтобы уравновесить гравитацию. Аргумент, лежащий в основе этого дополнения, заключался в том, что даже пустое пространство-время обладает гравитационным влиянием, так называемой вакуумной энергией.

В течение двенадцати лет космологическая постоянная оставалась в полевых уравнениях, выполняя эту роль. Но на горизонте назревали проблемы, и под «горизонтом» мы подразумеваем самый дальний из возможных горизонтов – самый край Вселенной.

Наше понимание космоса должно было измениться навсегда…

Проблема Хаббла – расширяющаяся проблема

Сегодня может быть немного трудно поверить, но просто 90 много лет назад мы гораздо меньше понимали космос и вселенную вокруг нас. Идея о миллиардах галактик за пределами нашего Млечного Пути была почти несбыточной, как и идея о том, что эти галактики могут удаляться друг от друга по мере расширения пространства. Точно так же идея о том, что Вселенная могла раздуться из бесконечно малой точки – концепция «Большого взрыва» была чистой фантазией.

В 1929, оригинальная статья Эдвина Хаббла «Соотношение между расстоянием и лучевой скоростью среди внегалактических туманностей» навсегда изменило бы это мышление. Хаббл показал, что Вселенная не была бесконечной ни по своим масштабам, ни по возрасту. В этой относительно короткой статье астроном представил первые наблюдательные свидетельства того, что далекие галактики удаляются от нас, и чем дальше они тем дальше, тем быстрее они отступают.

Обнаружен простой эскиз графика зависимости скорости от расстояния для удаленных галактик глубокое понимание Вселенной вокруг нас (Хаббл, 1929)

О чем Хаббл не знал, когда опубликовал свой 1929, было то, что другие физики уже предоставили решения уравнений поля Эйнштейна, которые подтвердили его результаты. И Александр Фридман, русский космолог, и Жорж Леметр, католический священник, математик, астроном и профессор физики, предоставили решения для полевых уравнений, показывающих расширяющуюся Вселенную. Даже имея эту теоретическую основу, Эйнштейн хотел увидеть это свидетельство для себя, не будучи полностью готовым отказаться от своей космологической постоянной и принять нестатическую вселенную.

Мне нужно увидеть это для себя. Эйнштейн посещает обсерваторию Маунт Вилсон и встречает Хаббла. (Caltech)

В январе 29 th 1931, Эдвин Хаббл познакомился с Эйнштейном в Маунт Уилсон, принимая его, чтобы увидеть знаменитый 100 -дюймовый телескоп, где астроном сделал наблюдение, обреченное на первую итерацию космологической постоянной. Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою первую статью с пересмотренными уравнениями поля, исключающими лямбду. Он считал постоянную «избыточной», поскольку относительность могла бы объяснить расширение Вселенной без нее.

Джордж Гамов, физик и космолог, отметил в 1956 Статья Scientific American , а затем в своей автобиографии, что Эйнштейн доверился ему, что введение космологической постоянной была его «самая большая ошибка». Теперь это замечание перешло в знания, окружающие великого ученого, и хотя мы не можем быть уверены, что он действительно это сказал, он, скорее всего, поверил в это.

Тем не менее, несмотря на то, что Эйнштейн отказался от космологической постоянной, многие физики еще не были готовы отказаться от этого элемента общей теории относительности. Они утверждали, что без космологического постоянного термина, модели эволюции космоса предсказывают вселенную с возрастом, который моложе, чем самые старые звезды в ней.

И хотя Эйнштейн был равнодушен к этому аргументу, в 1998 43 лет после его смерть, космологическая постоянная и символ, который ее представляет, будут спасены от безвестности и призваны объяснить новую, но связанную с этим головоломку.

Современная космологическая постоянная и темная энергия

Есть что-то вроде приятной иронии в том, что открытие вселенной расширило космологическую постоянную до мусорного ящика, и не менее важным открытием стало то, что это расширение расширяется это спасло это.

Во время «простоя» космологической постоянной наше понимание происхождения Вселенной претерпело революцию. Космологи смогли сделать вывод, что области Вселенной, теперь разделенные невообразимыми расстояниями, когда-то были в непосредственной близости. Идея о том, что Вселенная расширилась в период быстрой инфляции от бесконечно малой точки – хотя эта точка будет постепенно уменьшаться – до огромной сущности, которую мы видим сегодня, была принята и называлась «Большой взрыв»

Однако общепринятая идея о том, что этот период быстрой инфляции сменился более устойчивым темпом, была оспорена 1998.

Три отдаленные сверхновые типа Ia, наблюдаемые Хабблом Космический телескоп в 1997. Поскольку сверхновые типа Ia имеют одинаковую светимость, они используются для измерения темной энергии и ее влияния на расширение Вселенной. Нижние изображения являются деталями верхних широких видов. Сверхновые слева и в центре появились около пяти миллиардов лет назад; право, семь миллиардов лет назад. ( Фото AURA / STScI / NASA / JPL (НАСА фото # STScI-PRC 98 – 02 a-js))

В середине 90-х годов космологи использовали решения полевых уравнений общей теории относительности для оценки геометрии Вселенной, определяя, что она плоская. Это оставило некоторые проблемы для решения. В плоской вселенной у нас должна быть плотность вещества / энергии, которая соответствует значению, известному как критическая плотность. Все же вся материя и энергия, которые мы можем наблюдать, составляют только треть этой ценности. В дополнение к этой проблеме недостающей энергии плоская вселенная страдает от проблемы космического возраста, почему самые старые звезды кажутся старше, чем предсказанный возраст плоской вселенной?

Расширение Вселенной, как показано на этом изображении возможно, вынудили космологическую константу в перерыве, но это было навсегда. C. ФОШЕР-ЖИГРЕ, А. ЛИДЗ И Л. ХЕРНКИСТ, НАУКА 100, 5859 (47)

Одно из решений этих проблем может возникнуть, если Вселенная заполнена жидкостью с отрицательным давлением, «темной энергией», которая объясняет дефицит энергии и обеспечивает ускоренное расширение, которое аккуратно объясняет Вселенную. занять больше времени, чтобы достичь его текущего состояния. Чтобы измерить эту изменяющуюся скорость расширения, исследователям понадобился бы инструмент, который мог бы измерять необычайно большие космические расстояния – фактически до 5 миллиардов световых лет.

В 1998 астрономы нашли доказательства такой теоретической жидкости по наблюдениям красных смещений далеких, но невероятно ярких сверхновых типа Ia, которые часто называют «стандартными свечами» из-за их надежности при измерении космических расстояний. И, конечно же, ученым понадобится символ для обозначения темной энергии в их уравнениях. Поскольку космология уже имела такое представление отрицательного давления, почему бы просто не воскресить его и не поместить обратно в уравнения общей теории относительности?

Но, учитывая историю, они не должны были удивляться, что повторное использование космологической постоянной принесет новые проблемы.

Все еще сумасшедший после всех этих лет…

Новые проблемы с космологической постоянной в значительной степени отражают основные препятствия в физике в ее нынешнем виде. Несмотря на то, что благодаря космологии революции совершались в невероятно больших масштабах, наше понимание невероятно малого расцветало благодаря успеху квантовой физики.

Проблема возникает из-за того, что квантовая физика – и в частности квантовая теория поля – и общая теория относительности не могут быть согласованы, нет теории квантовой гравитации.

Если мы креативны и слегка прихотливы, возможно, мы могли бы придать этой борьбе значение для объединения этих дисциплин – 10 ¹²¹ – величина, между которой теоретическая теория квантового поля предсказывает космологическую постоянную и наблюдаемое значение обеспечено космологией. Это огромное несоответствие, которое часто называют «худшим теоретическим предсказанием в истории науки», вытекает из того факта, что квантовая теория поля предсказывает, что виртуальные частицы появляются и исчезают во все времена – идея, которая может звучать нелепо, но имеет был экспериментально проверен – даже в космическом вакууме. Таким образом, частицы должны оказывать измеримое влияние на энергию вакуума, приводящую к расширению Вселенной, но этот эффект не измеряется космологами, наблюдающими красные смещения сверхновых типа Ia.

Практически невозможно: пара виртуальных частиц, один с положительным зарядом и один с отрицательным зарядом ненадолго появляются и исчезают. Такие частицы должны оказывать влияние на расширение Вселенной в соответствии с квантовой теорией поля.

Есть, конечно, решения. Темная энергия может быть связана с каким-то еще не обнаруженным полем, которое заполняет пространство таким же образом, как и поле Хиггса, из которого выходит недавно открытый бозон Хиггса. Или, может быть, другие константы, которые занимают неоспоримое место в наших уравнениях гравитации, вообще не являются константами, а меняются со временем, как предлагает космолог из Женевского университета Лукас Ломбрайзер. Более экстремальные решения заключаются в предположении, что теория гравитации Эйнштейна должна быть модифицирована для учета темной энергии – и все же это семейство теорий, MONDS, неуклонно теряет популярность в физическом сообществе.

Каким бы ни было решение этой проблемы, оно оказывает заметное влияние на будущее Вселенной. Определение истинного значения космологической постоянной и силы темной энергии, движущей этим ускоряющимся расширением, в конечном итоге скажет нам, будет ли окончательная судьба Вселенной разорваться на части или насильственно сокрушиться.

Будь то «Большой разрыв» или «Большой кризис», конец Вселенной будет определяться значением космологической постоянной. Ценность, которая все еще продолжает уклоняться от нас и смущает нас так же, как и Эйнштейн.

Источники

Та-Пей Ченг, теория относительности, гравитации и космологии, Oxford Press, (2010).

Роберт Ламбурн, Стивен Сержант, Марк Джонс, Введение в галактики и космологию, Cambridge Press, (2015).

Фрэнк Клоуз, Новый Космический Лук, Тейлор и Фрэнсис, (2007 ).

Cormac O'Raifeartaigh, расследование легенды о «самой большой ошибке» Эйнштейна, Physics Today, (2018)

Мэттс Роос, Введение в космологию, Уайли, (2003) ,

0
Article Tags: · · · · · · · · · · · ·

Оставьте комментарий

Интересное на сайте