Di masa depan yang jauh, Semesta mungkin mengharapkan varian takdir yang berbeda , tetapi jika energi gelap benar-benar konstan - seperti yang dibuktikan oleh semua data - maka perkembangannya akan terus mengikuti kurva merah. Kurva ini akan membawa alam semesta menuju varian kematian panas. Namun, energi gelap tidak harus berupa konstanta kosmologis.
Salah satu komponen paling misterius dari alam semesta adalah energi gelap.... Sejujurnya, seharusnya tidak ada sama sekali. Sebelumnya, secara logis kita berasumsi bahwa alam semesta seimbang, dan perluasannya ditentang oleh gaya gravitasi yang bekerja pada segala sesuatu di dalamnya. Jika gravitasi menang, alam semesta akan runtuh lagi. Jika ekspansi menang, semuanya akan terlupakan. Namun, pengamatan yang dilakukan setelah tahun 1990 menunjukkan bahwa perluasan tidak hanya terjadi - galaksi-galaksi jauh menyusut dari kita dengan laju yang terus meningkat. Namun, dapatkah ini disebut ide baru, atau ini hanya kebangkitan dari apa yang pernah disebut Einstein sebagai kesalahan terbesarnya: konstanta kosmologis ? Pertanyaan ini ditanyakan oleh pembaca kami:
Konstanta kosmologis Einstein dan energi gelap hal yang sama? Mengapa istilah "energi gelap" akhirnya menggantikan istilah asli "konstanta kosmologis"? Apakah mereka identik atau tidak, dan mengapa?
Ada beberapa pertanyaan disini. Mari kembali ke ide awal Einstein, konstanta kosmologis.
Sekarang kita tahu bahwa sebagian besar galaksi selain Bima Sakti berbentuk spiral. Semua nebula spiral yang telah kita pelajari sejak tahun 1920-an adalah galaksi lain. Namun, pada masa Einstein ini jauh dari jelas.
Harus diingat bahwa ketika Einstein mengerjakan teori gravitasi, yang seharusnya menggantikan dan menggantikan hukum gravitasi universal Newton, kita hanya tahu sedikit tentang alam semesta. Tentu saja, astronomi telah ada selama ribuan tahun, dan teleskop telah ada selama itu. Kami mengukur bintang, komet, asteroid, nebula. Kami telah melihat kelahiran baru dan supernova. Kami telah menemukan bintang variabel dan atom. Kami menemukan struktur menarik di langit - spiral dan elips.
Tapi kita tidak tahu bahwa spiral dan elips ini adalah galaksi yang berdiri sendiri. Ide ini hanya yang terpopuler kedua; Pendapat utama adalah bahwa ini adalah entitas tertentu (kemungkinan membentuk bintang) yang terletak di dalam Bima Sakti, yang mewakili seluruh alam semesta. Einstein sedang mencari teori gravitasi yang dapat diterapkan pada segala hal - termasuk seluruh alam semesta yang diketahui.
Perilaku gravitasi Bumi di dekat Matahari lebih baik dijelaskan bukan dengan adanya tarikan gravitasi yang tak terlihat, tetapi dengan jatuhnya Bumi secara bebas di ruang angkasa yang dilengkungkan oleh Matahari. Jarak terpendek antara dua titik bukanlah garis lurus, tetapi geodesik - garis lengkung yang ditentukan oleh deformasi gravitasi ruang-waktu.
Masalahnya menjadi jelas ketika Einstein mampu merumuskan pencapaian terbesarnya: teori relativitas umum (GR). Alih-alih mengandalkan massa yang bertindak cepat tak terhingga pada satu sama lain dalam jarak tak terhingga, Einstein menyajikan konsep yang sama sekali berbeda. Pertama, karena ruang dan waktu tidak mutlak, tetapi relatif untuk masing-masing pengamat, teori tersebut harus membuat prediksi yang identik untuk semua pengamat: seperti yang dikatakan fisikawan, untuk menjadi " invarian relativisme ". "Dan ini berarti bahwa konsep ruang dan waktu yang terpisah harus dijalin menjadi satu struktur empat dimensi ruang-waktu. Efek gravitasi tidak lagi menjalar dengan kecepatan tak terhingga, tetapi dibatasi oleh kecepatan gravitasi, yang menurut menurut teori Einstein, sama dengan kecepatan cahaya.
Terobosan utama Einstein adalah penggantian massa yang menarik satu sama lain dengan kelengkungan ruang-waktu, yang memengaruhi materi dan energi. Ruangwaktu yang melengkung menentukan bagaimana materi dan energi yang dibutuhkan untuk bergerak. Dan materi dan energi pada setiap momen waktu memberi tahu ruang bagaimana cara menekuk. Dan inilah cara mereka saling mempengaruhi - setelah setiap pergeseran materi dan energi, kelengkungan ruang sedikit berubah. Perubahan mereka diatur oleh persamaan relativitas umum.
Animasi reaksi ruang-waktu terhadap massa yang bergerak di dalamnya. Ia memungkinkan seseorang untuk membayangkan ruang-waktu bukan sebagai "kain" dua dimensi, tetapi sebagai objek nyata. Ruang tiga dimensi melengkung karena keberadaan dan sifat materi dan energi. Pergerakan beberapa massa di sekitar satu sama lain menyebabkan gelombang gravitasi.
Jika Einstein berhenti di sana, dia akan meluncurkan revolusi luar angkasa. Di satu sisi (bisa dikatakan, di satu sisi tanda sama dengan dalam persamaan) semua materi dan energi alam semesta. Di sisi lain, kelengkungan ruang-waktu. Ini harus berakhir di sana - prediksi persamaan akan memberi tahu Anda apa yang akan terjadi di masa depan.
Dan ketika Einstein memecahkan persamaan ini untuk jarak yang jauh dari sebuah massa kecil, dia menerima hukum gravitasi universal Newton. Tetapi ketika mendekati massa, koreksi mulai merayap keluar - keduanya menjelaskan penyimpangan orbit Merkurius yang sebelumnya tidak dapat dijelaskan, dan memprediksi bahwa cahaya bintang yang melewati Matahari harus menyimpang dari garis lurus. Inilah bagaimana teori relativitas umum pertama kali dikonfirmasi dalam praktik.
Namun, dalam situasi lain, muncul masalah lain. Jika kita berasumsi bahwa alam semesta diisi secara seragam dengan materi, maka dari persamaan tersebut ternyata tidak stabil. Jika ia mulai ada dalam ruang-waktu yang statis, ia harus runtuh. Untuk memperbaiki situasi tersebut, Einstein menemukan konstanta kosmologis.
Jika alam semesta tidak mengembang, ia dapat diisi dengan materi diam apa pun, tetapi ia akan selalu runtuh ke dalam lubang hitam. Dalam konteks gravitasi Einstein, alam semesta seperti itu tidak stabil, dan harus berkembang.
Kita perlu memahami darimana ide konstanta kosmologis berasal. Ada alat yang ampuh dalam matematika yang ada di mana-mana dalam fisika: persamaan diferensial . Ini bisa menjadi sesuatu yang sederhana seperti hukum Newton F = ma. Persamaan ini hanya menjelaskan bagaimana besaran tertentu akan berperilaku di saat berikutnya. Setelah momen itu berlalu, mereka dapat disubstitusikan ke dalam persamaan yang sama, dan sekali lagi memprediksi apa yang akan terjadi pada momen berikutnya.
Persamaan diferensial, misalnya, dapat mengetahui apa yang terjadi pada bola yang menggelinding menuruni bukit. Ini memberi tahu jalur apa yang akan diambil, bagaimana kecepatannya, bagaimana lokasinya akan berubah seiring waktu. Dengan menyelesaikan persamaan diferensial yang menjelaskan gerakan bola yang menggelinding menuruni bukit, Anda dapat menggambar lintasannya secara akurat.
Persamaan diferensial akan memberi tahu Anda hampir semua hal yang ingin Anda ketahui tentang bola yang menggelinding menuruni bukit. Tapi itu tidak bisa memberi tahu Anda satu hal: seberapa tinggi bukit itu. Anda tidak tahu apakah bukit ini terletak di dataran tinggi pegunungan, apakah itu berakhir di permukaan laut, atau di kawah gunung berapi yang sudah punah. Perbukitan identik yang terletak pada ketinggian berbeda akan dijelaskan dengan persamaan diferensial yang sama.
, , . - . – , ? , .
Masalah serupa muncul dalam kalkulus ketika Anda pertama kali belajar mengambil integral tak tentu - "konstanta plus" yang terkenal yang perlu ditambahkan di akhir. Tentu saja, relativitas umum bukanlah satu persamaan diferensial, tetapi matriks yang terdiri dari 16 persamaan diferensial, 10 di antaranya tidak bergantung satu sama lain. Tetapi sebuah konstanta dapat ditambahkan ke masing-masing konstanta dengan cara tertentu - dan ini dikenal sebagai konstanta kosmologis. Anda mungkin terkejut, tetapi ini adalah satu-satunya hal yang dapat ditambahkan ke relativitas umum tanpa mengubah esensi teori secara mendasar (kecuali untuk bentuk materi atau energi lain).
TETAPI Einstein menambahkan konstanta kosmologis ke dalam teorinya, bukan karena itu bisa dilakukan, tetapi karena dari sudut pandangnya itu lebih disukai. Tanpa menambahkan konstanta, persamaannya mengatakan alam semesta harus mengembang atau menyusut, tetapi tidak ada yang terlihat. Dan alih-alih mempercayai persamaan, Einstein memasukkan konstanta ke dalamnya untuk "memperbaiki" situasi yang tampaknya rusak. Jika dia mendengarkan persamaannya, dia akan memprediksi perluasan alam semesta. Sebaliknya, karya ilmuwan lain menyangkal pilihan Einstein, dan dia sendiri meninggalkan konstanta kosmologis hanya pada tahun 1930-an, ketika perluasan alam semesta dikonfirmasi oleh pengamatan.
Selama perluasan alam semesta, materi biasa dan materi gelap, serta radiasi, menjadi kurang padat. Namun, energi gelap dan energi medan selama inflasi melekat di ruang itu sendiri. Oleh karena itu, densitas dark energy tetap konstan.
Masalahnya, konstanta kosmologis tidak seperti bentuk energi yang kita kenal. Ambil materi - ada sejumlah partikelnya yang konstan di alam semesta. Dengan perluasan Alam Semesta, ia tidak berubah, sehingga kepadatannya berkurang. Jika kita mengambil radiasi, maka tidak hanya jumlah kuanta yang konstan, tetapi radiasi, yang merambat melalui alam semesta yang mengembang, direntangkan dari sudut pandang pengamat yang suatu saat akan menangkapnya. Kepadatannya menurun, dan setiap kuantum juga kehilangan energi seiring waktu.
Tetapi konstanta kosmologis adalah bentuk energi konstan yang melekat dalam ruang itu sendiri. Seolah-olah permukaan bumi tidak setinggi permukaan laut, tetapi akan naik beberapa meter. Ya, ketinggian baru ini bisa disebut "permukaan laut", tetapi ini tidak akan berfungsi dengan alam semesta. Tidak ada cara untuk mengetahui besarnya nilai konstanta kosmologis - kita hanya berasumsi bahwa nilainya nol. Tetapi ini tidak perlu - ini bisa berupa nilai apa pun, positif, negatif, atau nol.
Berbagai komponen dan kontribusinya pada kepadatan energi alam semesta, dan dominasi relatifnya. Radiasi mendominasi materi selama 9.000 tahun pertama, kemudian materi mulai mendominasi, dan kemudian konstanta kosmologis muncul lebih dulu. Semua komponen lainnya terlalu sedikit. Namun, energi gelap mungkin tidak setara dengan konstanta kosmologis.
Mengekstrapolasi kembali ke masa lalu ke alam semesta yang sebelumnya, panas, padat, dan dangkal, kita mungkin tidak memperhatikan konstanta kosmologis. Pada tahap awal, jumlah itu jauh lebih banyak daripada materi dan radiasi. Hanya setelah alam semesta mengembang dan mendingin barulah kepadatan materi dan energi turun cukup untuk mewujudkan konstanta kosmologis.
Artinya, jika memang ada.
Energi gelap mungkin berubah menjadi konstanta kosmologis. Dan, memang, dengan mempertimbangkan semua pengamatan hari ini, tampaknya memang demikian - perubahan laju perluasan Alam Semesta dari waktu ke waktu berlanjut seperti yang ditentukan oleh konstanta kosmologis. Namun, ada beberapa kesalahan di sini, sehingga energi gelap pada prinsipnya dapat seiring waktu:
- meningkat atau menurun,
- ubah kepadatan energi,
- berkembang dengan cara baru yang kompleks.
Meskipun kami memiliki batasan nilai energi gelap selama 6 miliar tahun terakhir, kami tidak dapat menyebutnya konstan dengan akurasi absolut.
Kepadatan materi, radiasi, dan energi gelap sudah diketahui dengan baik. Namun, untuk energi gelap, masih banyak ruang gerak dalam persamaan. Itu bisa konstan, tetapi juga bisa berubah seiring waktu.
Kami, tentu saja, ingin tahu apakah itu konstan atau tidak. Dan kami akan menemukan, seperti yang biasanya dilakukan dalam sains - meningkatkan pengamatan dan melakukannya secara konsisten. Kuncinya adalah kumpulan data yang besar, serta menyelidiki alam semesta dalam berbagai jarak. Lagi pula, semua detail terkecil dari perubahan laju perluasan Semesta pada waktunya membantu kita untuk mengetahui bagaimana cahaya yang merambat melalui Semesta berubah. Jika energi gelap sama persis dengan konstanta kosmologis, perkembangannya akan mengikuti kurva tertentu. Jika tidak, maka yang lain, dan kita bisa melihatnya.
Pada akhir tahun 2020-an, kita akan memiliki kompleks berbasis darat yang besar dan kompleks untuk mengamati alam semesta. Semua berkat observatorium. Vera Rubinyang akan melampaui pencapaian semua instrumen yang ada seperti Pan-STARRS dan Sloan Sky Survey . Kami akan memiliki serangkaian besar pengamatan luar angkasa berkat Observatorium Euclid Eropa dan Teleskop Roman Nancy NASA - mereka akan dapat melihat 50 kali lebih detail daripada Teleskop Hubble. Semua data baru ini akan membantu kita menentukan apakah energi gelap memang identik dengan prediksi konstanta kosmologis, dan apakah berubah seiring waktu.
, . , .
Ada godaan besar - terkadang saya bersalah karenanya - untuk menggabungkan kedua konsep ini dan menganggap bahwa energi gelap hanyalah konstanta kosmologis. Jelas mengapa seseorang ingin melakukannya - konstanta kosmologis sudah menjadi bagian dari relativitas umum, dan tidak perlu dijelaskan secara terpisah. Selain itu, kita tidak tahu bagaimana menghitung energi nol dari ruang kosong dalam teori medan kuantum, dan itu memberikan kontribusi yang persis sama ke alam semesta seperti konstanta kosmologis. Akhirnya, semua pengamatan kami konsisten dengan fakta bahwa energi gelap adalah konstanta kosmologis, dan tidak ada lagi yang perlu dipersulit.
Namun, dari sinilah pentingnya dimensi baru yang ekstrim. Jika kita tidak repot-repot mengukur alam semesta dengan cermat dan akurat, kita tidak akan pernah menemukan teori relativitas. Kami tidak akan menemukan fisika kuantum, kami tidak akan melakukan sebagian besar penelitian yang mendapatkan hadiah Nobel dan mendorong kami memasuki abad ke-20 dan ke-21. Dalam 10 tahun, kita akan memiliki data yang akan membantu menentukan apakah energi gelap berbeda dari konstanta kosmologis dengan kesalahan 1%.
– . , ( WFIRST) – . , - . . 1%, .
Konstanta kosmologis mungkin identik dengan energi gelap, tetapi ini tidak perlu. Dan bahkan jika mereka ternyata sama, kita masih ingin memahami mengapa konstanta kosmologis berperilaku seperti ini dan bukan sebaliknya. Di tahun 2021 mendatang, penting untuk diingat bahwa jawaban atas pertanyaan kosmik terdalam kita bisa dilihat di muka alam semesta. Satu-satunya cara untuk mendapatkannya adalah dengan beralih ke realitas fisik itu sendiri.