Mapema karne ya 20, mwanasayansi mchanga anayeitwa Albert Einstein aliangalia sifa za mwanga na wingi na jinsi zinavyohusiana. Matokeo ya tafakari yake ilikuwa nadharia ya uhusiano. Kazi yake ilibadilisha fizikia ya kisasa na unajimu kwa njia ambayo bado inasikika hadi leo. Kila mwanafunzi husoma mlingano wao maarufu wa E=MC2 ili kuelewa jinsi wingi na nishati vinahusiana. Hii ni moja ya ukweli wa kimsingi wa uwepo wa ulimwengu.
Kiwango kisichobadilika cha ulimwengu ni nini?
Kwa jinsi milinganyo ya Einstein ya uhusiano wa jumla ilivyokuwa, iliwasilisha tatizo. Alijaribu kueleza jinsi wingi na mwanga ulivyo katika ulimwengu, jinsi mwingiliano wao unavyoweza kusababisha ulimwengu tuli (yaani, usiopanuka). Kwa bahati mbaya, milinganyo yake ilitabiri kwamba ingepunguza au kupanua, na itaendelea kufanya hivyo milele, lakini hatimaye ingefikia hatua ambayo ingepungua.
Haikuwa sawa kwake, kwa hivyo Einstein alilazimika kuelezea njia ya kushikilia mvuto,kuelezea ulimwengu tuli. Baada ya yote, wanafizikia wengi na wanajimu wa wakati wake walidhani tu kwamba hii ndio kesi. Kwa hivyo Einstein alivumbua kipengele cha Fudge, kinachoitwa "cosmological constant," ambacho kilitoa mpangilio kwa milinganyo na kusababisha ulimwengu ambao haupanuki au mikataba. Alikuja na ishara "lambda" (barua ya Kigiriki), inayoashiria msongamano wa nishati katika utupu wa nafasi. Inadhibiti upanuzi, na ukosefu wake huacha mchakato huu. Sasa jambo lilihitajika kueleza nadharia ya ulimwengu.
Jinsi ya kuhesabu?
Albert Einstein aliwasilisha toleo la kwanza la nadharia ya jumla ya uhusiano (GR) kwa umma mnamo Novemba 25, 1915. Milinganyo asili ya Einstein ilionekana kama hii:
Katika ulimwengu wa kisasa, hali thabiti ya ulimwengu ni:
Mlingano huu unaelezea nadharia ya uhusiano. Pia, kisichobadilika pia huitwa mwanachama wa lambda.
Galaxi na Ulimwengu unaopanuka
Kiwango cha kudumu cha ulimwengu hakikurekebisha mambo jinsi alivyotarajia. Kwa kweli, ilifanya kazi, lakini kwa muda tu. Tatizo la kosmolojia halijatatuliwa.
Hii iliendelea hadi mwanasayansi mwingine mchanga, Edwin Hubble, alipochunguza kwa kina nyota zinazobadilika-badilika katika galaksi za mbali. Kumeta kwao kulionyesha umbali wa miundo hii ya ulimwengu na zaidi.
Kazi ya Hubble imeonekanasio tu kwamba ulimwengu ulijumuisha galaksi zingine nyingi, lakini kama ilivyotokea, ilikuwa ikipanuka, na sasa tunajua kuwa kiwango cha mchakato huu hubadilika kwa wakati. Hii kwa kiasi kikubwa ilipunguza mara kwa mara ya Einstein ya cosmological hadi sifuri, na mwanasayansi mkuu alipaswa kurekebisha mawazo yake. Watafiti hawajaiacha kabisa. Walakini, Einstein baadaye aliita kuongeza kwake mara kwa mara kwa uhusiano wa jumla kuwa kosa kubwa zaidi maishani mwake. Lakini je?
Mpya mpya wa kiikolojia
Mnamo 1998, timu ya wanasayansi wanaofanya kazi na Darubini ya Anga ya Hubble, wakichunguza nyota ya nyota ya mbali, iligundua jambo ambalo halikutarajiwa kabisa: upanuzi wa ulimwengu unaongezeka kwa kasi. Zaidi ya hayo, kasi ya mchakato si kama walivyotarajia na imekuwa siku za nyuma.
Kwa kuzingatia kwamba ulimwengu umejaa wingi, inaonekana ni jambo la busara kwamba upanuzi upunguzwe, hata kama ungekuwa mdogo sana. Kwa hivyo, ugunduzi huu ulionekana kupingana na kile milinganyo na mara kwa mara ya Einstein ya kikosmolojia ilitabiri. Wanaastronomia hawakuelewa jinsi ya kuelezea kasi inayoonekana ya upanuzi. Kwa nini, hii inafanyikaje?
Majibu ya maswali
Ili kueleza mchapuko na mawazo ya kikosmolojia kuihusu, wanasayansi wamerejea kwenye wazo la nadharia asilia.
Makisio yao ya hivi punde hayaondoi kuwepo kwa kitu kinachoitwa nishati ya giza. Ni kitu ambacho hakiwezi kuonekana au kuhisiwa, lakini athari zake zinaweza kupimwa. Ni sawa na gizajambo: athari yake inaweza kuamuliwa kwa jinsi inavyoathiri nuru na vitu vinavyoonekana.
Wanaastronomia wanaweza bado kujua nishati hii ya giza ni nini. Hata hivyo, wanajua kwamba huathiri upanuzi wa ulimwengu. Ili kuelewa taratibu hizi, muda zaidi unahitajika kwa uchunguzi na uchambuzi. Labda nadharia ya ulimwengu sio wazo mbaya baada ya yote? Baada ya yote, inaweza kuelezewa kwa kudhani kuwa nishati ya giza iko. Inavyoonekana, hii ni kweli na wanasayansi wanahitaji kutafuta maelezo zaidi.
Ni nini kilifanyika hapo mwanzo?
Muundo asilia wa Einstein wa kikosmolojia ulikuwa muundo tuli wa homogeneous wenye jiometri ya duara. Athari ya mvuto ya jambo ilisababisha kuongeza kasi katika muundo huu, ambayo Einstein hakuweza kueleza, kwani wakati huo haikujulikana kuwa ulimwengu ulikuwa unapanuka. Kwa hiyo, mwanasayansi alianzisha mara kwa mara ya cosmological katika equations yake ya relativity ujumla. Hii thabiti inatumika kukabiliana na mvuto wa mata, na kwa hivyo imefafanuliwa kama athari ya kupambana na mvuto.
Omega Lambda
Badala ya salio la kosmolojia lenyewe, watafiti mara nyingi hurejelea uhusiano kati ya msongamano wa nishati kutokana nayo na msongamano muhimu wa ulimwengu. Thamani hii kwa kawaida huashiriwa kama ifuatavyo: ΩΛ. Katika ulimwengu tambarare, ΩΛ inalingana na sehemu ya msongamano wake wa nishati, ambayo pia inafafanuliwa na hali thabiti ya kikosmolojia.
Kumbuka kwamba ufafanuzi huu unahusiana na msongamano muhimu wa enzi ya sasa. Inabadilika kwa muda, lakini wianinishati, kutokana na uthabiti wa kikosmolojia, bado haijabadilika katika historia yote ya ulimwengu.
Hebu tuzingatie zaidi jinsi wanasayansi wa kisasa wanavyoendeleza nadharia hii.
Uthibitisho wa Cosmological
Utafiti wa sasa wa ulimwengu unaoongeza kasi sasa unafanya kazi sana, ukiwa na majaribio mengi tofauti yanayohusu mizani ya wakati tofauti kabisa, mizani ya urefu na michakato halisi. Muundo wa CDM wa kikosmolojia umeundwa, ambamo Ulimwengu ni tambarare na una sifa zifuatazo:
- wingi wa nishati, ambayo ni takriban 4% ya vitu vya baryonic;
- 23% nyeusi;
- 73% ya salio la cosmolojia.
Matokeo muhimu ya uchunguzi yaliyoleta uthabiti wa ulimwengu kwa umuhimu wake wa sasa ni ugunduzi kwamba aina ya mbali ya Ia (0<z<1) iliyotumiwa kama mishumaa ya kawaida ilikuwa dhaifu kuliko ilivyotarajiwa katika ulimwengu unaopungua polepole. Tangu wakati huo, vikundi vingi vimethibitisha matokeo haya kwa supernovae zaidi na anuwai pana ya mabadiliko nyekundu.
Hebu tueleze kwa undani zaidi. Muhimu hasa katika fikra za sasa za ulimwengu ni uchunguzi kwamba supernovae ya juu sana ya redshift (z>1) ni angavu kuliko inavyotarajiwa, ambayo ni saini inayotarajiwa kutoka wakati wa kupunguza kasi hadi kipindi chetu cha sasa cha kuongeza kasi. Kabla ya kutolewa kwa matokeo ya supernova mnamo 1998, tayari kulikuwa na mistari kadhaa ya ushahidi ambayo ilifungua njia ya haraka sana.kukubalika kwa nadharia ya kuongeza kasi ya Ulimwengu kwa msaada wa supernovae. Hasa, tatu kati yao:
- Ulimwengu uligeuka kuwa mdogo kuliko nyota kongwe zaidi. Mageuzi yao yamechunguzwa vyema, na uchunguzi wao katika makundi ya ulimwengu na kwingineko unaonyesha kwamba miundo ya zamani zaidi ina zaidi ya miaka bilioni 13. Tunaweza kulinganisha hii na umri wa ulimwengu kwa kupima kiwango cha upanuzi wake leo na kufuatilia nyuma hadi wakati wa Mlipuko Kubwa. Ikiwa ulimwengu ulipungua kwa kasi yake ya sasa, basi umri ungekuwa mdogo kuliko kama ungeongeza kasi yake ya sasa. Ulimwengu tambarare, wa maada pekee ungekuwa na umri wa takriban miaka bilioni 9, tatizo kubwa ikizingatiwa kuwa ni mdogo kwa miaka bilioni kadhaa kuliko nyota kongwe zaidi. Kwa upande mwingine, ulimwengu tambarare wenye 74% ya satelaiti ya ulimwengu ungekuwa na umri wa miaka bilioni 13.7. Kwa hivyo kuona kwamba kwa sasa anaongeza kasi kulitatua kitendawili cha umri.
- Galaksi nyingi za mbali. Idadi yao tayari imetumika sana katika majaribio ya kukadiria kupungua kwa upanuzi wa Ulimwengu. Kiasi cha nafasi kati ya redshifts mbili hutofautiana kulingana na historia ya upanuzi (kwa pembe fulani thabiti). Kwa kutumia idadi ya galaksi kati ya miinuko miwili nyekundu kama kipimo cha ukubwa wa anga, wachunguzi wameamua kwamba vitu vilivyo mbali vinaonekana kuwa vikubwa sana ikilinganishwa na ubashiri wa ulimwengu unaopungua polepole. Ama mwangaza wa galaksi au idadi yao kwa kila kitengo ilibadilika kwa muda kwa njia zisizotarajiwa, au juzuu tulizokokotoa hazikuwa sahihi. Jambo la kuongeza kasi linawezaingeeleza uchunguzi bila kuibua nadharia yoyote ya ajabu ya mageuzi ya galaksi.
- Utandawazi unaoonekana wa ulimwengu (licha ya ushahidi usio kamili). Kwa kutumia vipimo vya mabadiliko ya halijoto katika mandharinyuma ya microwave (CMB), tangu wakati ambapo ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka 380,000, inaweza kuhitimishwa kuwa ni tambarare hadi ndani ya asilimia chache. Kwa kuchanganya data hizi na kipimo sahihi cha msongamano wa maada katika ulimwengu, inakuwa wazi kuwa ina takriban 23% tu ya msongamano muhimu. Njia moja ya kuelezea msongamano wa nishati inayokosekana ni kutumia satelaiti ya ulimwengu. Kama ilivyotokea, kiasi fulani ni muhimu tu kuelezea kasi inayozingatiwa katika data ya supernova. Hiki ndicho kilikuwa kigezo kilichohitajika kufanya ulimwengu kuwa tambarare. Kwa hivyo, uthabiti wa ulimwengu ulisuluhisha ukinzani unaoonekana kati ya uchunguzi wa msongamano wa maada na CMB.
Ni nini maana?
Ili kujibu maswali yanayotokea, zingatia yafuatayo. Hebu tujaribu kueleza maana halisi ya salio la kikosmolojia.
Tunachukua GR equation-1917 na kuweka kipimo cha kupima metriki gab nje ya mabano. Kwa hivyo, ndani ya mabano tutakuwa na usemi (R / 2 - Λ). Thamani ya R inawakilishwa bila fahirisi - hii ni kawaida, curvature ya scalar. Ikiwa unaelezea juu ya vidole - hii ni mgawanyiko wa radius ya mduara / nyanja. Nafasi tambarare inalingana na R=0.
Katika tafsiri hii, thamani isiyo ya sifuri ya Λ inamaanisha kuwa Ulimwengu wetu umepinda.yenyewe, ikiwa ni pamoja na kutokuwepo kwa mvuto wowote. Hata hivyo, wanafizikia wengi hawaamini hili na wanaamini kwamba mpindano unaotazamwa lazima uwe na sababu fulani ya ndani.
Jambo jeusi
Neno hili linatumika kwa jambo dhahania katika ulimwengu. Imeundwa kuelezea shida nyingi na muundo wa kawaida wa Big Bang wa ulimwengu. Wanaastronomia wanakadiria kwamba takriban 25% ya ulimwengu huundwa na mada nyeusi (labda iliyokusanywa kutoka kwa chembe zisizo za kawaida kama vile neutrinos, axions, au Weakly Interacting Massive Chembe [WIMPs]). Na 70% ya Ulimwengu katika miundo yao ina nishati giza isiyofichika zaidi, ikibakiza 5% pekee kwa vitu vya kawaida.
Kosmolojia ya Uumbaji
Mnamo 1915, Einstein alitatua tatizo la kuchapisha nadharia yake ya jumla ya uhusiano. Alionyesha kuwa mteremko huo usio wa kawaida ni matokeo ya jinsi nguvu ya uvutano inavyopotosha nafasi na wakati na kudhibiti mienendo ya sayari zinapokuwa karibu sana na miili mikubwa, ambapo mpindo wa anga huonekana zaidi.
Mvuto wa Newton sio maelezo sahihi sana ya mwendo wa sayari. Hasa wakati mzingo wa nafasi unaposogea kutoka kwa kujaa kwa Euclidean. Na uhusiano wa jumla unaelezea tabia iliyozingatiwa karibu haswa. Kwa hivyo, wala maada nyeusi, ambayo wengine wamedokeza kuwa ilikuwa katika mduara usioonekana wa mata kuzunguka Jua, wala sayari Vulcan yenyewe, haikuhitajika ili kueleza upotovu huo.
Hitimisho
Hapo zamani za kalemara kwa mara cosmological itakuwa kidogo. Nyakati za baadaye, msongamano wa maada utakuwa sifuri, na ulimwengu utakuwa tupu. Tunaishi katika enzi hiyo fupi ya kikosmolojia wakati maada na utupu ni vya ukubwa unaolingana.
Ndani ya kipengele cha jambo, inaonekana, kuna michango kutoka kwa baryons na chanzo kisicho cha baryoni, zote mbili zinalinganishwa (angalau, uwiano wao hautegemei wakati). Nadharia hii inayumba-yumba chini ya uzito wa uasilia wake, lakini hata hivyo inavuka mstari wa mwisho mbele ya shindano, kwa hivyo inafaana na data.
Mbali na kuthibitisha (au kukanusha) hali hii, changamoto kuu kwa wanacosmolojia na wanafizikia katika miaka ijayo itakuwa kuelewa ikiwa vipengele hivi vinavyoonekana kuwa visivyopendeza vya ulimwengu wetu ni matukio ya kushangaza au yanaakisi muundo wa kimsingi ambao sisi bado sijaelewa.
Tukiwa na bahati, kila kitu ambacho kinaonekana kuwa si asilia sasa kitatumika kama ufunguo wa ufahamu wa kina wa fizikia ya kimsingi.
