Vào đầu thế kỷ 20, một nhà khoa học trẻ tên là Albert Einstein đã xem xét các đặc tính của ánh sáng và khối lượng và cách chúng liên hệ với nhau. Kết quả của những phản ánh của ông là thuyết tương đối. Công việc của ông đã thay đổi vật lý hiện đại và thiên văn học theo cách mà ngày nay vẫn còn được cảm nhận. Mỗi học sinh nghiên cứu phương trình E=MC2 nổi tiếng của họ để hiểu khối lượng và năng lượng có liên quan như thế nào. Đây là một trong những sự thật cơ bản về sự tồn tại của vũ trụ.
Hằng số vũ trụ là gì?
Sâu xa như các phương trình của Einstein cho thuyết tương đối rộng, chúng đã trình bày một vấn đề. Ông đã tìm cách giải thích khối lượng và ánh sáng tồn tại trong vũ trụ như thế nào, sự tương tác của chúng có thể dẫn đến một vũ trụ tĩnh (nghĩa là không giãn nở) như thế nào. Thật không may, các phương trình của anh ấy dự đoán rằng nó sẽ co lại hoặc mở rộng, và sẽ tiếp tục như vậy mãi mãi, nhưng cuối cùng sẽ đạt đến điểm mà nó sẽ co lại.
Nó không phù hợp với anh ấy, vì vậy Einstein phải giải thích một cách để giữ trọng lực,để giải thích vũ trụ tĩnh. Rốt cuộc, hầu hết các nhà vật lý và thiên văn học cùng thời với ông chỉ đơn giản cho rằng đây là trường hợp. Vì vậy, Einstein đã phát minh ra hệ số Fudge, được gọi là "hằng số vũ trụ", tạo ra trật tự cho các phương trình và dẫn đến một vũ trụ không giãn nở cũng không co lại. Ông đã đưa ra ký hiệu "lambda" (chữ cái Hy Lạp), biểu thị mật độ năng lượng trong chân không của không gian. Nó kiểm soát việc mở rộng, và sự thiếu hụt của nó sẽ ngăn quá trình này. Bây giờ cần một yếu tố để giải thích lý thuyết vũ trụ.
Cách tính?
Albert Einstein trình bày phiên bản đầu tiên của thuyết tương đối rộng (GR) trước công chúng vào ngày 25 tháng 11 năm 1915. Các phương trình ban đầu của Einstein trông như thế này:
Trong thế giới hiện đại, hằng số vũ trụ là:
Phương trình này mô tả lý thuyết tương đối. Ngoài ra, một hằng số còn được gọi là một thành viên lambda.
Thiên hà và Vũ trụ đang mở rộng
Hằng số vũ trụ không sửa chữa mọi thứ theo cách anh ấy mong đợi. Trên thực tế, nó đã hoạt động, nhưng chỉ trong một thời gian. Vấn đề về hằng số vũ trụ vẫn chưa được giải quyết.
Điều này tiếp tục cho đến khi một nhà khoa học trẻ khác, Edwin Hubble, thực hiện một quan sát sâu về các ngôi sao biến thiên trong các thiên hà xa xôi. Sự nhấp nháy của chúng tiết lộ khoảng cách tới những cấu trúc vũ trụ này và hơn thế nữa.
Công việc của Hubble đã chứng minhkhông chỉ rằng vũ trụ còn bao gồm nhiều thiên hà khác, mà hóa ra, nó đang giãn nở, và bây giờ chúng ta biết rằng tốc độ của quá trình này thay đổi theo thời gian. Điều này làm giảm phần lớn hằng số vũ trụ của Einstein xuống 0, và nhà khoa học vĩ đại đã phải sửa đổi các giả định của mình. Các nhà nghiên cứu đã không từ bỏ nó hoàn toàn. Tuy nhiên, Einstein sau đó đã gọi việc thêm hằng số của mình vào thuyết tương đối rộng là sai lầm lớn nhất trong cuộc đời ông. Nhưng có phải không?
Hằng số vũ trụ mới
Năm 1998, một nhóm các nhà khoa học làm việc với Kính viễn vọng Không gian Hubble, nghiên cứu về các siêu tân tinh ở xa, đã nhận thấy một điều hoàn toàn bất ngờ: sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Hơn nữa, tốc độ của quá trình không như họ mong đợi và đã từng như trong quá khứ.
Cho rằng vũ trụ chứa đầy khối lượng, có vẻ hợp lý là sự giãn nở nên chậm lại, ngay cả khi nó rất nhỏ. Do đó, khám phá này dường như mâu thuẫn với những gì mà các phương trình và hằng số vũ trụ của Einstein đã dự đoán. Các nhà thiên văn học không hiểu làm thế nào để giải thích gia tốc giãn nở biểu kiến. Tại sao, điều này đang xảy ra như thế nào?
Câu trả lời cho các câu hỏi
Để giải thích gia tốc và các quan niệm vũ trụ về nó, các nhà khoa học đã quay trở lại ý tưởng của lý thuyết ban đầu.
Suy đoán mới nhất của họ không loại trừ sự tồn tại của một thứ gọi là năng lượng tối. Nó là một cái gì đó không thể nhìn thấy hoặc cảm thấy, nhưng tác động của nó có thể được đo lường. Nó giống như bóng tốivật chất: tác động của nó có thể được xác định bằng cách nó ảnh hưởng đến ánh sáng và vật chất nhìn thấy.
Những người yêu thiên văn có thể vẫn chưa biết năng lượng tối này là gì. Tuy nhiên, họ biết rằng nó ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ. Để hiểu các quá trình này, cần nhiều thời gian hơn để quan sát và phân tích. Có lẽ lý thuyết vũ trụ không phải là một ý tưởng tồi? Rốt cuộc, nó có thể được giải thích bằng cách giả định rằng năng lượng tối tồn tại. Rõ ràng, điều này là đúng và các nhà khoa học cần tìm kiếm những lời giải thích thêm.
Điều gì đã xảy ra lúc đầu?
Mô hình vũ trụ ban đầu của Einstein là một mô hình đồng nhất tĩnh có dạng hình cầu. Hiệu ứng hấp dẫn của vật chất đã gây ra một gia tốc trong cấu trúc này, mà Einstein không thể giải thích được, vì lúc đó người ta không biết rằng vũ trụ đang giãn nở. Do đó, nhà khoa học đã đưa hằng số vũ trụ vào phương trình thuyết tương đối rộng của mình. Hằng số này được áp dụng để chống lại lực hấp dẫn của vật chất, và do đó nó được mô tả là hiệu ứng phản trọng lực.
Omega Lambda
Thay vì chính hằng số vũ trụ, các nhà nghiên cứu thường đề cập đến mối quan hệ giữa mật độ năng lượng do nó tạo ra và mật độ tới hạn của vũ trụ. Giá trị này thường được ký hiệu như sau: ΩΛ. Trong vũ trụ phẳng, ΩΛ tương ứng với một phần nhỏ của mật độ năng lượng của nó, điều này cũng được giải thích bằng hằng số vũ trụ.
Lưu ý rằng định nghĩa này có liên quan đến mật độ tới hạn của kỷ nguyên hiện tại. Nó thay đổi theo thời gian, nhưng mật độnăng lượng, do hằng số vũ trụ, không thay đổi trong suốt lịch sử của vũ trụ.
Chúng ta hãy xem xét thêm cách các nhà khoa học hiện đại phát triển lý thuyết này.
Chứng minh vũ trụ
Nghiên cứu hiện tại về vũ trụ gia tốc hiện đang rất tích cực, với nhiều thí nghiệm khác nhau bao gồm các thang thời gian, thang độ dài và các quá trình vật lý rất khác nhau. Một mô hình CDM vũ trụ đã được tạo ra, trong đó Vũ trụ phẳng và có các đặc điểm sau:
- mật độ năng lượng, khoảng 4% vật chất baryonic;
- 23% vật chất tối;
- 73% hằng số vũ trụ.
Kết quả quan sát quan trọng đưa hằng số vũ trụ về tầm quan trọng hiện tại là phát hiện ra rằng các siêu tân tinh Loại Ia (0<z<1) xa xôi được sử dụng làm nến tiêu chuẩn yếu hơn dự kiến trong một vũ trụ đang chậm lại. Kể từ đó, nhiều nhóm đã xác nhận kết quả này với nhiều sao băng hơn và phạm vi dịch chuyển đỏ rộng hơn.
Hãy giải thích chi tiết hơn. Đặc biệt quan trọng trong tư duy vũ trụ học hiện nay là những quan sát thấy rằng siêu tân tinh dịch chuyển đỏ cực cao (z>1) sáng hơn dự kiến, đó là một dấu hiệu được mong đợi từ thời gian giảm tốc dẫn đến thời kỳ gia tốc hiện tại của chúng ta. Trước khi công bố kết quả về siêu tân tinh vào năm 1998, đã có một số bằng chứng mở đường chochấp nhận lý thuyết về gia tốc của Vũ trụ với sự trợ giúp của các siêu tân tinh. Đặc biệt, ba trong số đó:
- Vũ trụ hóa ra trẻ hơn những ngôi sao già nhất. Quá trình tiến hóa của chúng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, và các quan sát về chúng trong các cụm sao cầu và những nơi khác cho thấy rằng các thành tạo lâu đời nhất đã hơn 13 tỷ năm tuổi. Chúng ta có thể so sánh điều này với tuổi của vũ trụ bằng cách đo tốc độ giãn nở của nó ngày nay và truy ngược lại thời gian của Vụ nổ lớn. Nếu vũ trụ chậm lại với tốc độ hiện tại, thì tuổi sẽ nhỏ hơn nếu nó tăng tốc với tốc độ hiện tại. Một vũ trụ phẳng, chỉ toàn vật chất sẽ khoảng 9 tỷ năm tuổi, một vấn đề lớn khi xem xét nó trẻ hơn vài tỷ năm so với các ngôi sao lâu đời nhất. Mặt khác, một vũ trụ phẳng với 74% hằng số vũ trụ sẽ vào khoảng 13,7 tỷ năm tuổi. Vì vậy, thấy rằng cô ấy hiện đang tăng tốc giải quyết nghịch lý tuổi tác.
- Quá nhiều thiên hà xa xôi. Số của chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các nỗ lực ước tính sự giảm tốc độ giãn nở của Vũ trụ. Lượng không gian giữa hai dịch chuyển đỏ khác nhau tùy thuộc vào lịch sử mở rộng (đối với một góc đặc nhất định). Sử dụng số lượng thiên hà giữa hai lần dịch chuyển đỏ làm thước đo thể tích không gian, các nhà quan sát đã xác định rằng các vật thể ở xa có vẻ quá lớn so với dự đoán về một vũ trụ đang chậm lại. Độ sáng của các thiên hà hoặc số lượng trên một đơn vị thể tích của chúng phát triển theo thời gian theo những cách không mong muốn hoặc khối lượng chúng tôi tính toán là sai. Vấn đề gia tốc có thểsẽ giải thích những quan sát mà không kích hoạt bất kỳ lý thuyết kỳ lạ nào về sự tiến hóa của thiên hà.
- Độ phẳng có thể quan sát được của vũ trụ (mặc dù bằng chứng chưa đầy đủ). Sử dụng các phép đo dao động nhiệt độ trong nền vi sóng vũ trụ (CMB), kể từ thời điểm vũ trụ khoảng 380.000 năm tuổi, có thể kết luận rằng nó phẳng về mặt không gian trong khoảng vài phần trăm. Bằng cách kết hợp những dữ liệu này với một phép đo chính xác về mật độ vật chất trong vũ trụ, rõ ràng là nó chỉ có khoảng 23% mật độ tới hạn. Một cách để giải thích mật độ năng lượng bị thiếu là áp dụng hằng số vũ trụ. Hóa ra, một lượng nhất định đơn giản là cần thiết để giải thích gia tốc quan sát được trong dữ liệu về siêu tân tinh. Đây chỉ là yếu tố cần thiết để làm cho vũ trụ phẳng. Do đó, hằng số vũ trụ giải quyết mâu thuẫn rõ ràng giữa các quan sát về mật độ vật chất và CMB.
Vấn đề là gì?
Để trả lời các câu hỏi phát sinh, hãy xem xét những điều sau. Hãy cố gắng giải thích ý nghĩa vật lý của hằng số vũ trụ.
Chúng tôi lấy phương trình GR-1917 và đặt tensor hệ mét gabra khỏi dấu ngoặc. Do đó, bên trong dấu ngoặc ta sẽ có biểu thức (R / 2 - Λ). Giá trị của R được biểu diễn mà không có chỉ số - đây là độ cong vô hướng thông thường. Nếu bạn giải thích trên các ngón tay - đây là nghịch đảo của bán kính hình tròn / hình cầu. Không gian phẳng ứng với R=0.
Theo cách hiểu này, giá trị khác 0 của Λ có nghĩa là Vũ trụ của chúng ta bị congcủa chính nó, kể cả trong trường hợp không có bất kỳ lực hấp dẫn nào. Tuy nhiên, hầu hết các nhà vật lý không tin vào điều này và cho rằng độ cong quan sát được phải có nguyên nhân bên trong nào đó.
Vật chất tối
Thuật ngữ này được sử dụng cho các vật chất giả định trong vũ trụ. Nó được thiết kế để giải thích rất nhiều vấn đề với mô hình vũ trụ Big Bang tiêu chuẩn. Các nhà thiên văn ước tính rằng khoảng 25% vũ trụ được tạo thành từ vật chất tối (có lẽ được tập hợp từ các hạt không chuẩn như neutrino, axion, hoặc Các hạt khối lượng lớn tương tác yếu [WIMP]). Và 70% Vũ trụ trong mô hình của họ bao gồm năng lượng tối thậm chí còn khó hiểu hơn, chỉ để lại 5% cho vật chất thông thường.
Vũ trụ học sáng tạo
Năm 1915, Einstein đã giải quyết được vấn đề khi xuất bản thuyết tương đối rộng của mình. Cô đã chỉ ra rằng tuế sai dị thường là hệ quả của việc lực hấp dẫn làm biến dạng không gian và thời gian cũng như điều khiển chuyển động của các hành tinh khi chúng đặc biệt gần với các thiên thể khổng lồ, nơi độ cong của không gian rõ rệt nhất.
Lực hấp dẫn Newton không phải là một mô tả rất chính xác về chuyển động của hành tinh. Đặc biệt là khi độ cong của không gian di chuyển ra khỏi mặt phẳng Euclide. Và thuyết tương đối rộng giải thích hành vi được quan sát gần như chính xác. Vì vậy, không cần vật chất tối, mà một số người cho rằng nằm trong một vòng vật chất vô hình xung quanh Mặt trời, hay bản thân hành tinh Vulcan, đều không cần thiết để giải thích sự bất thường.
Kết luận
Trong những ngày đầuhằng số vũ trụ sẽ không đáng kể. Vào những thời điểm sau đó, mật độ vật chất về cơ bản sẽ bằng 0, và vũ trụ sẽ trống rỗng. Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên vũ trụ ngắn ngủi khi cả vật chất và chân không đều có độ lớn tương đương.
Trong thành phần vật chất, rõ ràng có sự đóng góp của cả baryon và nguồn không phải baryon, cả hai đều có thể so sánh được (ít nhất, tỷ lệ của chúng không phụ thuộc vào thời gian). Lý thuyết này bị lung lay dưới sức nặng của sự không tự nhiên của nó, nhưng tuy nhiên vẫn vượt qua vạch đích trước đối thủ cạnh tranh, vì vậy nó rất phù hợp với dữ liệu.
Ngoài việc xác nhận (hoặc bác bỏ) viễn cảnh này, thách thức chính đối với các nhà vũ trụ học và vật lý học trong những năm tới là hiểu liệu những khía cạnh có vẻ khó chịu này của vũ trụ chúng ta chỉ là sự trùng hợp đáng kinh ngạc hay thực sự phản ánh cấu trúc cơ bản mà chúng ta chưa hiểu.
Nếu chúng ta may mắn, mọi thứ dường như không tự nhiên bây giờ sẽ là chìa khóa để hiểu sâu hơn về vật lý cơ bản.
