All'inizio del XX secolo, un giovane scienziato di nome Albert Einstein osservò le proprietà della luce e della massa e il modo in cui si relazionano tra loro. Il risultato delle sue riflessioni fu la teoria della relatività. Il suo lavoro ha cambiato la fisica e l'astronomia moderne in un modo che si sente ancora oggi. Ogni studente studia la sua famosa equazione E=MC2 per capire come sono correlate massa ed energia. Questo è uno dei fatti fondamentali dell'esistenza del cosmo.
Qual è la costante cosmologica?
Per quanto profonde fossero le equazioni di Einstein per la relatività generale, presentavano un problema. Ha cercato di spiegare come la massa e la luce esistono nell'universo, come la loro interazione può portare a un universo statico (cioè non in espansione). Sfortunatamente, le sue equazioni prevedevano che si sarebbe contratto o si sarebbe espanso e avrebbe continuato a farlo per sempre, ma alla fine avrebbe raggiunto un punto in cui si sarebbe contratto.
Non gli sembrava giusto, quindi Einstein dovette spiegare un modo per trattenere la gravità,per spiegare l'universo statico. Dopotutto, la maggior parte dei fisici e degli astronomi del suo tempo presumeva semplicemente che fosse così. Così Einstein inventò il fattore Caramell, chiamato "costante cosmologica", che dava ordine alle equazioni e dava come risultato un universo che non si espande né si contrae. Ha inventato il segno "lambda" (lettera greca), che denota la densità di energia nel vuoto dello spazio. Controlla l'espansione e la sua mancanza interrompe questo processo. Ora era necessario un fattore per spiegare la teoria cosmologica.
Come calcolare?
Albert Einstein presentò al pubblico la prima versione della teoria della relatività generale (GR) il 25 novembre 1915. Le equazioni originali di Einstein erano così:
Nel mondo moderno, la costante cosmologica è:
Questa equazione descrive la teoria della relatività. Inoltre, una costante viene anche chiamata membro lambda.
Le galassie e l'universo in espansione
La costante cosmologica non ha aggiustato le cose come si aspettava. In re altà, ha funzionato, ma solo per un po'. Il problema della costante cosmologica non è stato risolto.
Ciò è continuato fino a quando un altro giovane scienziato, Edwin Hubble, ha fatto un'osservazione profonda delle stelle variabili in galassie lontane. Il loro sfarfallio ha rivelato le distanze di queste strutture cosmiche e altro ancora.
Il lavoro di Hubble ha dimostratonon solo l'universo includeva molte altre galassie, ma come si è scoperto, si stava espandendo e ora sappiamo che la velocità di questo processo cambia nel tempo. Ciò ridusse in gran parte la costante cosmologica di Einstein a zero e il grande scienziato dovette rivedere le sue ipotesi. I ricercatori non l'hanno abbandonato del tutto. Tuttavia, Einstein in seguito definì l'aggiunta della sua costante alla relatività generale il più grande errore della sua vita. Ma lo è?
Nuova costante cosmologica
Nel 1998, un team di scienziati che lavorava con il telescopio spaziale Hubble, studiando supernove lontane, notò qualcosa di completamente inaspettato: l'espansione dell'universo sta accelerando. Inoltre, il ritmo del processo non è quello che si aspettavano ed è stato in passato.
Dato che l'universo è pieno di massa, sembra logico che l'espansione rallenti, anche se fosse così piccola. Pertanto, questa scoperta sembrava contraddire ciò che prevedevano le equazioni e la costante cosmologica di Einstein. Gli astronomi non capivano come spiegare l'apparente accelerazione dell'espansione. Perché, come sta succedendo?
Risposte alle domande
Per spiegare l'accelerazione e le nozioni cosmologiche al riguardo, gli scienziati sono tornati all'idea della teoria originale.
La loro ultima speculazione non esclude l'esistenza di qualcosa chiamato energia oscura. È qualcosa che non può essere visto o sentito, ma i suoi effetti possono essere misurati. È lo stesso del buiomateria: il suo effetto può essere determinato da come influenza la luce e la materia visibile.
Gli astronomi potrebbero non sapere ancora cosa sia questa energia oscura. Tuttavia, sanno che influisce sull'espansione dell'universo. Per comprendere questi processi, è necessario più tempo per l'osservazione e l'analisi. Forse la teoria cosmologica non è una cattiva idea, dopotutto? Dopotutto, può essere spiegato supponendo che l'energia oscura esista. Apparentemente, questo è vero e gli scienziati devono cercare ulteriori spiegazioni.
Cosa è successo all'inizio?
Il modello cosmologico originale di Einstein era un modello statico omogeneo con una geometria sferica. L'effetto gravitazionale della materia provocò un'accelerazione in questa struttura, che Einstein non riuscì a spiegare, poiché a quel tempo non si sapeva che l'universo si stesse espandendo. Pertanto, lo scienziato ha introdotto la costante cosmologica nelle sue equazioni della relatività generale. Questa costante viene applicata per contrastare l'attrazione gravitazionale della materia, e quindi è stata descritta come l'effetto antigravitazionale.
Omega Lambda
Invece della costante cosmologica stessa, i ricercatori fanno spesso riferimento alla relazione tra la densità di energia dovuta ad essa e la densità critica dell'universo. Questo valore è generalmente indicato come segue: ΩΛ. In un universo piatto, ΩΛ corrisponde a una frazione della sua densità di energia, che è anche spiegata dalla costante cosmologica.
Nota che questa definizione è correlata alla densità critica dell'epoca attuale. Cambia nel tempo, ma la densitàl'energia, a causa della costante cosmologica, rimane invariata per tutta la storia dell'universo.
Consideriamo ulteriormente come gli scienziati moderni sviluppano questa teoria.
Prova cosmologica
L'attuale studio dell'universo in accelerazione è ora molto attivo, con molti esperimenti diversi che coprono scale temporali, scale di lunghezza e processi fisici molto diversi. È stato creato un modello cosmologico CDM, in cui l'Universo è piatto e ha le seguenti caratteristiche:
- densità energetica, che è circa il 4% della materia barionica;
- 23% di materia oscura;
- 73% della costante cosmologica.
Il risultato di osservazione critico che ha portato la costante cosmologica al suo significato attuale è stata la scoperta che le lontane supernove di tipo Ia (0<z<1) usate come candele standard erano più deboli del previsto in un universo in rallentamento. Da allora, molti gruppi hanno confermato questo risultato con più supernove e una gamma più ampia di spostamenti verso il rosso.
Spieghiamo più in dettaglio. Di particolare importanza nell'attuale pensiero cosmologico sono le osservazioni secondo cui le supernove con spostamento verso il rosso estremamente elevato (z>1) sono più luminose del previsto, che è un segno che ci si aspetta dal tempo di decelerazione che porta al nostro attuale periodo di accelerazione. Prima del rilascio dei risultati delle supernove nel 1998, c'erano già diverse linee di prova che hanno aperto la strada a una velocità relativamente rapidaaccettazione della teoria dell'accelerazione dell'Universo con l'aiuto delle supernove. In particolare, tre di loro:
- L'universo si è rivelato essere più giovane delle stelle più antiche. La loro evoluzione è stata ben studiata e le loro osservazioni negli ammassi globulari e altrove mostrano che le formazioni più antiche hanno più di 13 miliardi di anni. Possiamo confrontare questo con l'età dell'universo misurando il suo tasso di espansione oggi e risalendo al tempo del Big Bang. Se l'universo rallentasse fino alla velocità attuale, l'età sarebbe inferiore rispetto a se accelerasse fino alla velocità attuale. Un universo piatto di sola materia avrebbe circa 9 miliardi di anni, un grosso problema considerando che è diversi miliardi di anni più giovane delle stelle più antiche. D' altra parte, un universo piatto con il 74% della costante cosmologica avrebbe circa 13,7 miliardi di anni. Quindi vedere che attualmente sta accelerando ha risolto il paradosso dell'età.
- Troppe galassie lontane. Il loro numero è già stato ampiamente utilizzato nei tentativi di stimare la decelerazione dell'espansione dell'Universo. La quantità di spazio tra due spostamenti verso il rosso varia a seconda della cronologia dell'espansione (per un dato angolo solido). Utilizzando il numero di galassie tra due spostamenti verso il rosso come misura del volume dello spazio, gli osservatori hanno determinato che gli oggetti distanti sembrano troppo grandi rispetto alle previsioni di un universo in rallentamento. O la luminosità delle galassie o il loro numero per unità di volume si è evoluta nel tempo in modi inaspettati, oppure i volumi che abbiamo calcolato erano sbagliati. La materia in accelerazione potrebbespiegherebbe le osservazioni senza innescare nessuna strana teoria sull'evoluzione delle galassie.
- La piattezza osservabile dell'universo (nonostante prove incomplete). Utilizzando misurazioni delle fluttuazioni di temperatura nel fondo cosmico a microonde (CMB), dal momento in cui l'universo aveva circa 380.000 anni, si può concludere che è spazialmente piatto entro pochi punti percentuali. Combinando questi dati con una misurazione accurata della densità della materia nell'universo, diventa chiaro che ha solo il 23% circa della densità critica. Un modo per spiegare la densità di energia mancante è applicare la costante cosmologica. Come si è scoperto, una certa quantità è semplicemente necessaria per spiegare l'accelerazione osservata nei dati della supernova. Questo era solo il fattore necessario per rendere piatto l'universo. Pertanto, la costante cosmologica ha risolto l'apparente contraddizione tra le osservazioni della densità della materia e della CMB.
Qual è il punto?
Per rispondere alle domande che sorgono, considera quanto segue. Proviamo a spiegare il significato fisico della costante cosmologica.
Prendiamo l'equazione GR-1917 e mettiamo il tensore metrico gab tra parentesi. Pertanto, tra parentesi avremo l'espressione (R/2 - Λ). Il valore di R è rappresentato senza indici: questa è la solita curvatura scalare. Se spieghi sulle dita, questo è il reciproco del raggio del cerchio / sfera. Lo spazio piatto corrisponde a R=0.
In questa interpretazione, un valore diverso da zero di Λ significa che il nostro Universo è curvoda solo, anche in assenza di gravità. Tuttavia, la maggior parte dei fisici non ci crede e crede che la curvatura osservata debba avere una causa interna.
Materia oscura
Questo termine è usato per la materia ipotetica nell'universo. È progettato per spiegare molti problemi con il modello cosmologico standard del Big Bang. Gli astronomi stimano che circa il 25% dell'universo sia costituito da materia oscura (forse assemblata da particelle non standard come neutrini, assioni o Weakly Interacting Massive Particles [WIMP]). E il 70% dell'Universo nei loro modelli è costituito da energia oscura ancora più oscura, lasciando solo il 5% per la materia ordinaria.
Cosmologia creazionista
Nel 1915 Einstein risolse il problema di pubblicare la sua teoria della relatività generale. Ha mostrato che la precessione anomala è una conseguenza di come la gravità distorce lo spazio e il tempo e controlla i movimenti dei pianeti quando sono particolarmente vicini a corpi massicci, dove la curvatura dello spazio è più pronunciata.
La gravità newtoniana non è una descrizione molto accurata del movimento planetario. Soprattutto quando la curvatura dello spazio si allontana dalla piattezza euclidea. E la relatività generale spiega quasi esattamente il comportamento osservato. Quindi, né la materia oscura, che alcuni hanno suggerito fosse in un invisibile anello di materia attorno al Sole, né il pianeta Vulcano stesso, erano necessari per spiegare l'anomalia.
Conclusioni
Nei primi giornila costante cosmologica sarebbe trascurabile. In tempi successivi, la densità della materia sarà essenzialmente zero e l'universo sarà vuoto. Viviamo in quella breve epoca cosmologica in cui sia la materia che il vuoto sono di grandezza comparabile.
All'interno della componente materia, a quanto pare, ci sono contributi sia dai barioni che da una fonte non barionica, entrambi sono comparabili (almeno, il loro rapporto non dipende dal tempo). Questa teoria vacilla sotto il peso della sua innaturalità, ma comunque taglia il traguardo molto prima della concorrenza, quindi si adatta perfettamente ai dati.
Oltre a confermare (o confutare) questo scenario, la sfida principale per cosmologi e fisici nei prossimi anni sarà capire se questi aspetti apparentemente spiacevoli del nostro universo siano semplicemente coincidenze sorprendenti o riflettano effettivamente la struttura di base che noi non ho ancora capito.
Se siamo fortunati, tutto ciò che sembra innaturale ora servirà come chiave per una comprensione più profonda della fisica fondamentale.
