في أوائل القرن العشرين ، نظر عالم شاب يدعى ألبرت أينشتاين في خصائص الضوء والكتلة وكيفية ارتباطها ببعضها البعض. كانت نتيجة انعكاساته نظرية النسبية. غيرت أعماله الفيزياء الحديثة وعلم الفلك بطريقة لا تزال محسوسة حتى يومنا هذا. يدرس كل طالب معادلة E=MC2 الشهيرة لفهم كيفية ارتباط الكتلة والطاقة. هذه إحدى الحقائق الأساسية لوجود الكون.
ما هو الثابت الكوني؟
كما كانت معادلات أينشتاين للنسبية العامة ، فقد قدمت مشكلة. سعى لشرح كيفية وجود الكتلة والضوء في الكون ، وكيف يمكن أن يؤدي تفاعلهما إلى كون ثابت (أي لا يتمدد). لسوء الحظ ، توقعت معادلاته أنها إما ستنكمش أو تتوسع ، وستستمر في ذلك إلى الأبد ، لكنها ستصل في النهاية إلى نقطة حيث ستنكمش.
لم يكن الأمر كذلك بالنسبة له ، لذلك كان على أينشتاين أن يشرح طريقة للحفاظ على الجاذبية ،لشرح الكون الساكن. بعد كل شيء ، افترض معظم الفيزيائيين وعلماء الفلك في عصره ببساطة أن هذا هو الحال. لذا اخترع أينشتاين عامل الفدج ، المسمى "الثابت الكوني" ، والذي أعطى ترتيبًا للمعادلات وأسفر عن كون لا يتمدد ولا يتقلص. جاء بعلامة "لامدا" (حرف يوناني) ، للدلالة على كثافة الطاقة في فراغ الفضاء. يتحكم في التوسع وافتقاره يوقف هذه العملية. الآن هناك حاجة إلى عامل لتفسير النظرية الكونية.
كيف تحسب؟
قدم ألبرت أينشتاين النسخة الأولى من النظرية العامة للنسبية (GR) للجمهور في 25 نوفمبر 1915. بدت معادلات أينشتاين الأصلية كما يلي:
في العالم الحديث ، الثابت الكوني هو:
تصف هذه المعادلة نظرية النسبية. أيضا ، الثابت يسمى أيضا عضو لامدا.
المجرات والكون المتوسع
لم يصلح الثابت الكوني الأشياء بالطريقة التي توقعها. في الواقع ، لقد نجحت ، ولكن لفترة قصيرة فقط. لم تحل مشكلة الثابت الكوني
استمر هذا حتى قام عالم شاب آخر ، إدوين هابل ، بملاحظة عميقة للنجوم المتغيرة في المجرات البعيدة. أظهر وميضهم المسافات لهذه الهياكل الكونية وأكثر.
أظهر عمل هابلليس فقط أن الكون اشتمل على العديد من المجرات الأخرى ، ولكن كما اتضح ، كان يتمدد ، والآن نحن نعلم أن معدل هذه العملية يتغير بمرور الوقت. أدى هذا إلى خفض ثابت آينشتاين الكوني إلى الصفر ، وكان على العالم العظيم مراجعة افتراضاته. الباحثون لم يتخلوا عنها تماما. ومع ذلك ، وصف أينشتاين فيما بعد إضافة ثابته إلى النسبية العامة بأنه أكبر خطأ في حياته. ولكن هل هو كذلك؟
ثابت كوني جديد
في عام 1998 ، لاحظ فريق من العلماء يعملون مع تلسكوب هابل الفضائي ، يدرسون المستعرات الأعظمية البعيدة ، شيئًا غير متوقع تمامًا: تمدد الكون يتسارع. علاوة على ذلك ، فإن وتيرة العملية ليست كما توقعوا وكانت في الماضي.
بالنظر إلى أن الكون مليء بالكتلة ، يبدو من المنطقي أن يتباطأ التوسع ، حتى لو كان صغيرًا جدًا. وهكذا ، يبدو أن هذا الاكتشاف يتعارض مع ما تنبأت به المعادلات وثابت آينشتاين الكوني. لم يفهم علماء الفلك كيفية تفسير التسارع الظاهري للتوسع. لماذا ، كيف يحدث هذا؟
إجابات على الأسئلة
لشرح التسارع والمفاهيم الكونية حوله ، عاد العلماء لفكرة النظرية الأصلية.
تكهناتهم الأخيرة لا تستبعد وجود شيء يسمى الطاقة المظلمة. إنه شيء لا يمكن رؤيته أو الشعور به ، ولكن يمكن قياس آثاره. إنه نفس الظلامالمسألة: يمكن تحديد تأثيرها من خلال كيفية تأثيرها على الضوء والمادة المرئية.
ربما لا يعرف علماء الفلك حتى الآن ما هي هذه الطاقة المظلمة. ومع ذلك ، فهم يعلمون أنه يؤثر على تمدد الكون. لفهم هذه العمليات ، هناك حاجة إلى مزيد من الوقت للمراقبة والتحليل. ربما لم تكن النظرية الكونية فكرة سيئة بعد كل شيء؟ بعد كل شيء ، يمكن تفسير ذلك بافتراض وجود الطاقة المظلمة. على ما يبدو ، هذا صحيح ويحتاج العلماء إلى البحث عن مزيد من التفسيرات.
ماذا حدث في البداية؟
كان النموذج الكوني الأصلي لأينشتاين نموذجًا ثابتًا متجانسًا بهندسة كروية. تسبب تأثير الجاذبية للمادة في تسارع هذا الهيكل ، وهو ما لم يستطع أينشتاين تفسيره ، لأنه في ذلك الوقت لم يكن معروفًا أن الكون كان يتوسع. لذلك ، أدخل العالم الثابت الكوني في معادلاته للنسبية العامة. يتم تطبيق هذا الثابت للتصدي لسحب الجاذبية للمادة ، ولذلك تم وصفه بأنه تأثير مضاد للجاذبية.
أوميغا لامدا
بدلاً من الثابت الكوني نفسه ، يشير الباحثون غالبًا إلى العلاقة بين كثافة الطاقة الناتجة عنها والكثافة الحرجة للكون. عادة ما يتم الإشارة إلى هذه القيمة على النحو التالي: ΩΛ. في الكون المسطح ، ΩΛ تقابل جزءًا من كثافة طاقته ، وهو ما يفسره أيضًا الثابت الكوني.
لاحظ أن هذا التعريف مرتبط بالكثافة الحرجة للعصر الحالي. يتغير بمرور الوقت ، لكن الكثافةالطاقة ، بسبب الثابت الكوني ، ظلت دون تغيير طوال تاريخ الكون.
دعونا نفكر أكثر في كيفية تطوير العلماء الحديثين لهذه النظرية.
دليل كوني
الدراسة الحالية للكون المتسارع نشطة للغاية الآن ، مع العديد من التجارب المختلفة التي تغطي مقاييس زمنية مختلفة إلى حد كبير ومقاييس طول وعمليات فيزيائية. تم إنشاء نموذج CDM كوني يكون فيه الكون مسطحًا وله الخصائص التالية:
- كثافة الطاقة ، وهي حوالي 4٪ من المادة الباريونية ؛
- 23٪ مادة مظلمة ؛
- 73٪ من الثابت الكوني.
كانت نتيجة الملاحظة الحاسمة التي أوصلت الثابت الكوني إلى أهميته الحالية اكتشاف أن المستعرات الأعظمية البعيدة من النوع Ia (0<z<1) المستخدمة كشموع قياسية كانت أضعف مما كان متوقعًا في كون متباطئ. منذ ذلك الحين ، أكدت العديد من المجموعات هذه النتيجة بمزيد من المستعرات الأعظمية ونطاق أوسع من الانزياحات الحمراء.
دعونا نشرح بمزيد من التفصيل. من الأهمية بمكان في التفكير الكوني الحالي الملاحظات التي تشير إلى أن الانزياح الأحمر الشديد للغاية (z>1) المستعرات الأعظمية أكثر إشراقًا من المتوقع ، وهو توقيع متوقع من وقت التباطؤ الذي يسبق فترة التسارع الحالية. قبل إطلاق نتائج المستعر الأعظم في عام 1998 ، كان هناك بالفعل العديد من خطوط الأدلة التي مهدت الطريق لسرعة نسبيًاقبول نظرية تسريع الكون بمساعدة المستعرات الأعظمية. على وجه الخصوص ، ثلاثة منهم:
- تبين أن الكون أصغر من أقدم النجوم. تمت دراسة تطورها جيدًا ، وتظهر ملاحظاتها في العناقيد الكروية وفي أماكن أخرى أن أقدم التكوينات يزيد عمرها عن 13 مليار سنة. يمكننا مقارنة ذلك بعمر الكون من خلال قياس معدل تمدده اليوم والعودة إلى زمن الانفجار العظيم. إذا تباطأ الكون إلى سرعته الحالية ، فسيكون العمر أقل مما لو تسارع إلى معدله الحالي. سيكون عمر الكون المسطح والمادة فقط حوالي 9 مليارات سنة ، وهي مشكلة كبيرة بالنظر إلى أنه أصغر بعدة مليارات من السنين من أقدم النجوم. من ناحية أخرى ، فإن الكون المسطح الذي يحتوي على 74٪ من الثابت الكوني سيكون عمره حوالي 13.7 مليار سنة. لذا فإن رؤيتها وهي تتسارع حاليًا حل مفارقة العمر
- الكثير من المجرات البعيدة. لقد تم بالفعل استخدام عددهم على نطاق واسع في محاولات لتقدير تباطؤ تمدد الكون. يختلف مقدار المسافة بين انزياحتي حمراء تبعًا لتاريخ التمدد (لزاوية صلبة معينة). باستخدام عدد المجرات بين انزياحين أحمر كمقياس لحجم الفضاء ، حدد المراقبون أن الأجسام البعيدة تبدو كبيرة جدًا مقارنة بالتنبؤات بتباطؤ الكون. إما أن لمعان المجرات أو عددها لكل وحدة حجم قد تطور بمرور الوقت بطرق غير متوقعة ، أو أن الأحجام التي حسبناها كانت خاطئة. يمكن للمادة المتسارعةيشرح الملاحظات دون إثارة أي نظرية غريبة لتطور المجرات.
- التسطيح الملحوظ للكون (على الرغم من الأدلة غير الكاملة). باستخدام قياسات تقلبات درجات الحرارة في الخلفية الكونية الميكروية (CMB) ، منذ الوقت الذي كان فيه عمر الكون حوالي 380.000 سنة ، يمكن استنتاج أنه مسطح مكانيًا في حدود نسبة مئوية قليلة. بدمج هذه البيانات مع قياس دقيق لكثافة المادة في الكون ، يتضح أن لديها فقط حوالي 23٪ من الكثافة الحرجة. تتمثل إحدى طرق تفسير كثافة الطاقة المفقودة في تطبيق الثابت الكوني. كما اتضح فيما بعد ، فإن قدرًا معينًا منه ضروري ببساطة لشرح التسارع الملحوظ في بيانات المستعر الأعظم. كان هذا فقط العامل المطلوب لجعل الكون مسطحًا. لذلك ، حل الثابت الكوني التناقض الواضح بين ملاحظات كثافة المادة و CMB.
ما هي النقطة؟
للإجابة على الأسئلة التي تظهر ، ضع في اعتبارك ما يلي. دعونا نحاول شرح المعنى المادي للثابت الكوني.
نأخذ معادلة GR - 1917 ونضع موتر متري gabخارج الأقواس. لذلك ، داخل الأقواس سيكون لدينا التعبير (R / 2 - Λ). يتم تمثيل قيمة R بدون مؤشرات - وهذا هو الانحناء القياسي المعتاد. إذا شرحت على الأصابع - فهذا هو مقلوب نصف قطر الدائرة / الكرة. الفضاء المسطح يتوافق مع R=0.
في هذا التفسير ، تعني القيمة غير الصفرية لـ Λ أن كوننا منحنيفي حد ذاته ، بما في ذلك في حالة عدم وجود أي جاذبية. ومع ذلك ، فإن معظم الفيزيائيين لا يؤمنون بهذا ويعتقدون أن الانحناء المرصود يجب أن يكون له سبب داخلي.
مادة مظلمة
يستخدم هذا المصطلح لوصف مادة افتراضية في الكون. إنه مصمم لشرح الكثير من المشاكل مع نموذج Big Bang الكوني القياسي. يقدر علماء الفلك أن حوالي 25٪ من الكون يتكون من مادة مظلمة (ربما تم تجميعها من جسيمات غير قياسية مثل النيوترينوات أو الأكسيونات أو الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل [WIMPs]). و 70٪ من الكون في نماذجهم تتكون من طاقة مظلمة أكثر غموضًا ، تاركة 5٪ فقط للمادة العادية.
علم الكون الخلق
في عام 1915 ، حل أينشتاين مشكلة نشر نظريته العامة في النسبية. لقد أوضحت أن الحركة الشاذة هي نتيجة لكيفية تشويه الجاذبية للمكان والزمان والتحكم في حركات الكواكب عندما تكون قريبة بشكل خاص من الأجسام الضخمة ، حيث يكون انحناء الفضاء أكثر وضوحًا.
الجاذبية النيوتونية ليست وصفًا دقيقًا جدًا لحركة الكواكب. خاصة عندما يتحرك انحناء الفضاء بعيدًا عن التسطيح الإقليدي. وتفسر النسبية العامة السلوك المرصود بشكل شبه دقيق. وبالتالي ، لم تكن هناك حاجة إلى المادة المظلمة ، التي اقترح البعض أنها كانت في حلقة غير مرئية من المادة حول الشمس ، ولا كوكب فولكان نفسه ، لتفسير الشذوذ.
الاستنتاجات
في الأيام الأولىسيكون الثابت الكوني ضئيلًا. في أوقات لاحقة ، ستكون كثافة المادة صفرًا ، وسيكون الكون فارغًا. نحن نعيش في تلك الحقبة الكونية القصيرة عندما يكون لكل من المادة والفراغ حجم مماثل.
داخل مكون المادة ، على ما يبدو ، هناك مساهمات من كل من الباريونات ومن مصادر غير باريونية ، وكلاهما قابل للمقارنة (على الأقل ، لا تعتمد نسبتهما على الوقت). تتأرجح هذه النظرية تحت وطأة عدم طبيعتها ، لكنها مع ذلك تعبر خط النهاية قبل المنافسة ، لذا فهي تتناسب جيدًا مع البيانات.
بالإضافة إلى تأكيد (أو دحض) هذا السيناريو ، سيكون التحدي الرئيسي لعلماء الكونيات والفيزيائيين في السنوات القادمة هو فهم ما إذا كانت هذه الجوانب التي تبدو غير سارة لكوننا هي مجرد مصادفات مذهلة أو تعكس في الواقع البنية الأساسية التي نحن لا أفهم حتى الآن.
إذا كنا محظوظين ، فإن كل ما يبدو غير طبيعي الآن سيكون بمثابة مفتاح لفهم أعمق للفيزياء الأساسية.
