Source: http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmo_constant.html
Nedavno dvije različite grupe su mjerili prividnog sjaja supernova sa crvenog pomaka u blizini z = 1. Na osnovu ovih podataka staru ideju kosmička konstanta je pravi povratak osnovu.
Einstein statički kosmologije
Einstein je originalni kosmološka model bio statičan, homogena model sa sfernim geometrije. Gravitacioni uticaj materije izazvao je ubrzanje u ovom modelu koji Ajnštajn nije želio, jer u trenutku kada je svemir nije bila poznata da se širi. Tako Einstein uveo kosmička konstanta u njegovu jednadžbe za generala relativnosti. Ovaj termin djeluje da bi se suprotstavili gravitaciju materije, tako da je opisan kao efekt anti-gravitacije.
Zašto kosmička konstanta ponašaju na ovaj način?
Ovaj termin se ponaša kao gustoća energije vakuuma, ideju koja je od gustoće energije vakuuma određene vrste postaju vrlo moderan visoke energetske fizike čestica modela se koristi u Higgs mehanizam za spontani simetrije. Zaista, inflatorni scenarij za prvi picosecond nakon Velikog praska predlaže da se prilično velike gustoće energije vakuuma postojala tokom inflatornih epohe. Gustoća energije vakuuma mora biti povezana s negativnim pritiskom jer:
- Gustoća energije vakuum mora biti konstantan, jer ne postoji ništa za to da zavisi.
- Ako je klip ograničavanje cilindar vakuum izvukao, proizvodeći više vakuum, vakuum unutar cilindra onda ima više energije, koja moraju biti isporučeni silom povlačenjem klipa.
- Ako je vakuum pokušava povući klip natrag u cilindar, mora imati negativan pritisak, s obzirom da je pozitivan pritisak ima tendenciju da gura klip van.
Animacija iznad pokazuje klipa kreće u cilindru ispunjen “vakuum” koji sadrži kvantnih fluktuacija, dok je regija izvan cilindar nema “ništa” s nula gustine i pritiska. Naravno, politički korektan termini su “lažni vakuum” u cilindru i “pravi vakuum” van, ali fizika je ista.
Magnituda negativnog pritiska potrebna za očuvanje energije se lako utvrdi da je P = -u = -rho*c2 gdje se pod pritiskom, u je P gustina energije vakuuma, a rho je ekvivalent gustoće mase pomoću E = m*c2 . Alternativni derivacija koristi argument da je stres-energija tenzor vakuum mora biti Lorentz invarijantan i stoga mora biti više od metričkih tenzora. Ovdje su tehnički detalji ovog argumenta.
Međutim, u relativnosti, pritisak ima težinu, što znači da je gravitaciono ubrzanje na rubu sfere uniforme gustoća nije dao
g = GM/R2 = (4*pi/3)*G*rho*R
već se daje
g = (4*pi/3)*G*(rho+3P/c2)*R
Sada Einstein želio statički model, što znači da je g = 0, ali je htio da se malo stvari, tako rho> 0, i tako mu je bilo potrebno P <0. U stvari, postavljanjem
rho(vacuum) = 0.5*rho(matter)
imao je ukupno gustoće od 1,5*rho(materija) i ukupno pritisak -0.5*rho(materija)*c2 jer je pritisak od obične materije je u suštini nula (u odnosu na Rho*c2). Tako rho + 3P/c2 = 0 i gravitacionog ubrzanja je bio nula,
g = (4*pi/3)*G*(rho(matter)-2*rho(vacuum))*R = 0
omogućavajući statičkoj svemiru.
Najveći domaćih ajnštajnova
Međutim, tu je osnovni nedostatak u ovom Einstein statički model: to je nestabilan – kao olovku uravnotežena na njegov vrh. Za zamisliti da je svemir je ipak rasla: reći za 1 dijela na milion u veličini. Onda je gustoća energije vakuuma ostaje isti, ali je gustoća energije stvar ide dolje za 3 dijelova na milijun. To daje neto negativan gravitacionog ubrzanja, što čini svemir raste još više! Ako umjesto Svemira neznatno smanjio, dobija se neto pozitivan gravitacionog ubrzanja, što ga čini skupiti više! Svako malo odstupanje dobiva uvećana, a model je fundamentalno pogrešna.
Pored ovog mana nestabilnosti, premisa statičkog modela statičke Universe pokazala je Hubble biti netočna. To je dovelo Einstein da se odnosi na kosmička konstanta kao njegov najveći kiks, i da ga ispustiti iz njegove jednadžbe. Ali i dalje postoji kao mogućnost – koeficijent koji treba odrediti iz zapažanja ili fundamentalne teorije.
Quantum očekivanje
Jednadžbi kvantne teorije polja opisuju interakciju čestica i anti-čestica mase M je veoma teško točno riješiti. Uz veliku količinu matematičkih radova moguće je dokazati da osnovno stanje ovog sistema ima energiju koja je manja od beskonačnosti. Ali ne postoji jasan razlog zašto je energija ovog osnova država treba biti nula. Svi očekuju da će oko jedne čestice u svakom volumena jednaka Compton talasne dužine kub čestica, što daje gustoću vakuum
rho(vacuum) = M4c3/h3 = 1013 [M/proton mass]4 gm/cc
Za najviše razumne mase elementarnih čestica, u Planck mase 20 mikrograma, ovo gustoća je više od 1091 gm/cc. Dakle, mora postojati mehanizam suzbijanja na poslu sada koji smanjuje gustoću energije vakuuma od najmanje 120 redova veličine.
Bayesian argument
Mi ne znamo šta ovaj mehanizam, ali čini se razumnim da progon od 122 redova veličine, što bi efekat gustoće energije vakuuma na Univerzuma zanemariva, jednako je verovatna kao progon od 120 redova veličine. I 124, 126, 128 itd redova veličine bi svi trebali biti jednako verovatna kao i svi daju zanemariv učinak na svemir. S druge strane, supresija od 118, 116, 114, itd redova veličine su isključena i podaci. Osim ako ne postoje podaci da bi se isključio suzbijanje faktora 122, 124, itd reda veličine onda je najverovatnije vrijednost gustoće energije vakuuma je nula.
Je dicke Slučajnost argument
Ako su tačne podatke supernove i podataka CMB, onda je gustoća vakuum je sada oko 73% od ukupne gustoće. Ali u crveni pomak z = 2, koja se dogodila 10 Gyr dana za ovaj model ako Ho = 71, gustoća energije vakuuma je samo 9% od ukupne gustoće. I 10 Gyr u budućnosti gustoća vakuum će biti 96% od ukupne gustoće. Zašto smo živi slučajno u trenutku kada je gustoća vakuuma je u sredini svog prilično brze tranzicije iz zanemariv frakcije dominantnom dio ukupnog denziteta? Ako se, s druge strane, gustoća energije vakuuma je nula, onda je uvijek 0% od ukupne gustoće i sadašnji epohe nije poseban.
Šta je inflacija?
Tokom inflatornih epohe, gustoća energije vakuuma je velika: oko 1071 gm/cc. Dakle, u inflatornih scenariju gustoća energije vakuuma je nekada bila velika, a zatim je potisnut veliki faktor. Dakle, od nule vakuum gustinu energije su svakako moguće.
Opservacione granica
Solarni sistem
Jedan od načina da tražiti gustoću energije vakuuma je proučavanje orbite čestice kreću u gravitacionom polju poznatih masa. Budući da smo u potrazi za konstantnu gustoću, njen uticaj će biti veća u velikom sistemu zvuka. Sunčevog sistema je najveći sistem gdje zaista znamo šta mase su i možemo provjeriti prisustvo gustoće energije vakuuma pažljivim test Kepler je treći zakon: da je period kvadrat je proporcionalna udaljenosti od Sunca na kub . Centripetalne ubrzanje čestice kreću krug poluprečnika R s rokom P
a = R*(2*pi/P)2
koji mora biti jednak gravitaciono ubrzanje ispalo gore:
a = R*(2*pi/P)2 = g = GM(Sun)/R2 - (8*pi/3)*G*rho(vacuum))*R
Ako rho (vakuum) = 0 onda dobijamo
(4*pi2/GM)*R3 = P2
što je treći zakon Keplera. Ali, ako je gustoća vakuuma nije nula, onda dobija frakcijski promjene u razdoblju od
dP/P = (4*pi/3)*R3*rho(vacuum)/M(sun) = rho(vacuum)/rho(bar)
gdje je prosječna gustoća unutar radijusa Rrho(bar) = M/((4 * pi/3)*R3). To se može provjeriti samo za planete, gdje imamo nezavisno mjerenje udaljenosti od Sunca Voyager svemirski brod dozvoljeno veoma precizne udaljenosti do Urana i Neptuna da se odredi, a Anderson et al. (1995, apj, 448, 885) su utvrdili da dP/P=(1+/- 1) dijelova na milijun kod Neptuna udaljenosti od Sunca to nam daje Solarna sistema granica
rho(vacuum) = (5+/-5)*10-18 < 2*10-17 gm/cc
Kosmološka konstanta će izazvati precesija perihela planete. Cardona i Tejeiro (1998, apj, 493, 52) tvrdi da je taj efekt mogao postaviti ograničenja o gustoći vakuum samo desetak puta veći od kritične gustoće, ali čini njihov obračun biti isključen za faktor 3 biliona. Ispravan napredovanje perihela je 3*rho(vakuum)/rho(bar) ciklusa po orbiti. Budući da je u rasponu podataka u Viking Landers na Marsu je toliko precizan, vrlo dobar ograničenje o gustoći vakuum se dobija:
rho(vacuum) < 2*10-19 gm/cc
Galaksija Mlečni put
U većim sistemima ne možemo napraviti dijela na milion provjere standardnog modela. U slučaju Sunca orbiti oko galaksije, mi samo reći da je gustoća energije vakuuma je manje od polovine prosječne gustoće materije u sferi centriran na galaktički centar koji se prostire se na Sunca udaljenost od centra. Ako je gustoća energije vakuuma su više od toga, ne bi bilo ni centripetalno ubrzanje Sunca prema centra galaksije. Ali mi izračunali prosječnu gustoću materije pod pretpostavkom da je gustoća energije vakuuma je nula, tako da je konzervativni ću ispustiti “pola” i samo reci
rho(vacuum) < (3/(4*pi*G))(v/R)2 = 3*10-24 gm/cc
za kružni brzinom v = 220 km/sec i na udaljenosti R = 8,5 KZK-a.
Velikih razmjera geometrija svemira
Najbolji ograničenje o gustoći energije vakuuma dolazi iz najveće moguće sistem: Svemira u cjelini. Gustoća energije vakuuma dovodi do ubrzane širenja svemira. Ako je gustoća energije vakuuma je veća od kritične gustoće, onda Universe neće su prošli kroz jako vruće gustoj fazi kada je faktor skale bio nula (Big Bang). Znamo da je svemir prošao kroz vruće guste faze zbog svetlosti elementa obilja i svojstva kosmičke mikrovalnu pozadinu. Ove zahtijevaju da je svemir najmanje milijardu puta manji u prošlosti nego što je sada, i to ograničava gustoća energije vakuuma u
rho(vacuum) < rho(critical) = 8*10-30 gm/cc
Nedavni rezultati supernove pokazuju da je gustoća energije vakuuma je u neposrednoj blizini ove granice: Rho(vakuum)= 0,75*rho(kritična)=6*10-30gm/cc. Odnos rho (vakuum) do rho (kritična) se zove ΩΛ. Ovo izražava gustoća energije vakuuma na istoj skali koristi parametar gustoće Ω. Tako da su podaci supernove ukazuju na to da ΩΛ = 0,75. Ako koristimo ΩM da označi odnos običnih gustoće stvar kritične gustoće, onda je svemir otvoren ako ΩM + ΩΛ je manje od jedne, zatvoren ako je veći od jedan, a stan ako je točno jedan. Ako ΩΛ je veća od nule, onda je svemir će se proširiti zauvijek, osim ako ΩM gustina stvar je mnogo veća od trenutne zapažanja ukazuju. Za ΩΛ veća od nule, čak i zatvorenog svemira možete proširiti zauvijek.
Gornja slika prikazuje područja u (ΩM, λ) avion koji se predlaže podaci 1998. godine, gdje je λ je skraćenica za ΩΛ. Zelene regija u gornjem lijevom je isključena, jer ne bi bilo Big Bang na ovim prostorima, ostavljajući CMB spektra neobjašnjeno. Crvene i zelene elipse sa žutim regija preklapanja pokazuju dozvoljeno parametre LBL tima (crvena) i Hi-Z SN tima nije dozvoljeno parametara (zeleno). Plavi klin pokazuje parametar prostor regiji koja daje posmatranom dopler vrhunac poziciju u ugaonim spektra snage CMB. Ljubičasto regija je u skladu sa CMB Doppler vrh položaj i podaci supernove. Veliki ružičasti elipsa prikazuje moguće sistematske greške u podacima supernove.
Gornja slika prikazuje faktor skale kao funkcija vremena za više različitih modela. Boje krive su ukucali bojama kružnog tačaka u (ΩM, λ) avion Slika. Ljubičasto kriva je za favorizovani ΩM = 0.25, ΩΛ = 0.75 model. Plavi kriva je Veliki država model, koji ima ΩΛ = 1, ali ne i veliki prasak.
Budući da je vrijeme da se postigne dati crveni pomak je veći u ΩM = 0.25, ΩΛ = 0.75 model nego u ΩM = 1 model, ugaone udaljenosti veličine i sjaja udaljenosti su veći u modelu lambda, kao što je prikazano u prostoru-vremenu dijagram ispod:
The ΩM = 1 model je na lijevoj strani, na ΩM = 0.25, ΩΛ = 0.75 model je na desnoj strani. Zelena linija preko svaki prostor-vremena dijagram prikazuje vrijeme kada je crveni pomak je z = 1, što odgovara otprilike na najudaljenijim od supernove posmatrane do danas. Koristeći vladar možete vidjeti da je ugaoni veličine udaljenost do z = 1 je 1,36 puta veći u desnom dijagramu strane, što čini posmatranom supernove 1.84 puta slabija (0.66 magnitude slabije).
Od 1998. godine kako CMB i supernove podaci su poboljšani. Slika u nastavku ponavlja dijagramu gore sa novim elipse pogreške za podatke supernove i nove CMB dozvoljeno regija prikazani. 3 godine WMAP “otvorene” -CDM Monte Carlo Markov lanac daje točkice, a ovaj lanac je prekinut a priori na λ = 0.
Dozvoljena regija u skladu s oba CMB i podaci supernove je dramatično smanjio prema stanu, ali vakuum energije dominiraju model. Modeli CMB također daju Hubble konstanta, što pokazuje kodiranje boja točkice. model stana vakuum dominira je također u skladu sa HST ključnim vrijednost projekta je Ho=72+/-8km/sec/Mpc.
Zaključak
U prošlosti smo imali samo gornje granice o gustoći vakuum i filozofske argumente zasnovane na slučajnost problem Dicke i Bayesian statističkih podataka koji je predložio da najvjerovatnije vrijednost gustoće vakuum je bio nula. Sada imamo podatke supernove koja ukazuje na to da je gustina energije vakuuma je veći od nule. Ovaj rezultat je vrlo važno ako je istinito. Moramo potvrditi da koriste druge tehnike, kao što su WMAP satelit koji je uočio anizotropije kosmičke mikrovalnu pozadinu sa kosim rezolucije i osjetljivosti koji su dovoljni za mjerenje gustoće energije vakuuma. podaci CMB u kombinaciji sa izmjerenih Hubble konstanta ne potvrđuju podaci supernove: postoji pozitivan, ali mala gustoća energije vakuuma.
© 1998-2012 Edward L. Wright.