Hằng số vũ trụ
Một trong những thành phần bí ẩn nhất trong toàn bộ Vũ trụ là năng lượng tối, thứ mà - nếu chúng ta thành thật với chính mình - không được cho là tồn tại. Một cách khá hợp lý, chúng tôi đã giả định rằng Vũ trụ là một hành động cân bằng, với sự mở rộng của Vũ trụ và các tác động hấp dẫn của mọi thứ bên trong nó chống lại nhau. Nếu lực hấp dẫn chiến thắng, Vũ trụ sẽ thu hẹp lại; nếu chiến thắng mở rộng, mọi thứ sẽ bay vào quên lãng. Tuy nhiên, khi chúng tôi thực hiện các quan sát quan trọng trong những năm 1990 và hơn thế nữa, chúng tôi nhận thấy rằng không chỉ việc mở rộng chiến thắng, mà cả những thiên hà xa xôi mà chúng ta nhìn thấy có tốc độ ngày càng nhanh hơn khi thời gian trôi qua. Nhưng đây thực sự là một ý tưởng mới lạ, hay đơn giản là sự phục sinh của điều mà Einstein từng gọi là sai lầm lớn nhất của mình: hằng số vũ trụ? Đó là câu hỏi của Boris Petrov, người hỏi:
“Có phải hằng số vũ trụ của Einstein
Được rồi, có rất nhiều câu hỏi ở đó. Hãy sao lưu lại toàn bộ ý tưởng ban đầu của Einstein, hằng số vũ trụ, tốt hơn và xấu hơn.
Bạn đang xem: Hằng số vũ trụ
Bạn phải nhớ rằng khi Einstein đang nghiên cứu lý thuyết về lực hấp dẫn để thay thế và thay thế định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, chúng ta vẫn chưa biết nhiều về Vũ trụ. Chắc chắn, khoa học thiên văn đã có hàng nghìn năm tuổi, và bản thân kính thiên văn đã có từ hơn 3 thế kỷ trước. Chúng tôi đã đo các ngôi sao, sao chổi, tiểu hành tinh và tinh vân; chúng ta đã từng chứng kiến các tân tinh và siêu tân tinh; chúng tôi đã khám phá ra những ngôi sao biến thiên và biết về nguyên tử; và chúng tôi đã tiết lộ những cấu trúc hấp dẫn trên bầu trời, như hình xoắn ốc và hình elip.
Nhưng chúng tôi không biết rằng những hình xoắn ốc và hình elip này đều là thiên hà. Trên thực tế, đó chỉ là ý tưởng phổ biến thứ hai; ý tưởng hàng đầu thời đó là chúng là các thực thể - có lẽ là tiền sao đang trong quá trình hình thành - nằm trong Dải Ngân hà, bản thân nó bao gồm toàn bộ Vũ trụ. Einstein đang tìm kiếm một lý thuyết về lực hấp dẫn có thể áp dụng cho bất cứ thứ gì và mọi thứ tồn tại, và bao gồm cả Vũ trụ đã biết.
Vấn đề trở nên rõ ràng khi Einstein thành công trong việc xây dựng viên ngọc trên đỉnh lý thuyết của mình: Thuyết tương đối tổng quát. Thay vì dựa trên việc các khối lượng tác dụng lực lên nhau nhanh vô hạn trong khoảng cách vô hạn, quan niệm của Einstein hoàn toàn khác. Thứ nhất, bởi vì không gian và thời gian là tương đối đối với mỗi và mọi người quan sát, không phải là tuyệt đối, lý thuyết cần đưa ra các dự đoán giống hệt nhau cho tất cả các quan sát viên: cái mà các nhà vật lý gọi là “bất biến tương đối tính”. Điều đó có nghĩa là thay vì những khái niệm riêng biệt về không gian và thời gian, chúng cần được dệt lại với nhau thành một tấm vải bốn chiều: không thời gian. Và thay vì lan truyền với tốc độ vô hạn, hiệu ứng hấp dẫn bị giới hạn bởi tốc độ của trọng lực , theo lý thuyết của Einstein - bằng tốc độ ánh sáng.
Bước tiến quan trọng mà Einstein đã tạo ra là, thay vì các khối lượng kéo nhau, lực hấp dẫn hoạt động bởi cả vật chất và năng lượng làm cong cấu trúc của không thời gian. Đến lượt nó, không thời gian cong đó quyết định cách vật chất và năng lượng di chuyển qua nó. Tại mỗi thời điểm trong thời gian, vật chất và năng lượng trong Vũ trụ cho không thời gian biết cách cong, không thời gian cong cho biết vật chất di chuyển như thế nào, và sau đó nó thực hiện: vật chất và năng lượng chuyển động một chút và độ cong không thời gian thay đổi. Và sau đó, khi khoảnh khắc tiếp theo đến, các phương trình tương tự của Thuyết tương đối rộng cho biết cả vật chất và năng lượng và độ cong không thời gian sẽ tiến hóa như thế nào trong tương lai.
Nếu Einstein dừng lại ở đó, thì ông ta đã kích động một cuộc cách mạng vũ trụ. Một mặt (và do đó, ở một phía của phương trình), bạn có tất cả vật chất và năng lượng trong Vũ trụ, trong khi mặt khác (và phía bên kia của dấu bằng trong phương trình), bạn có độ cong của không thời gian. Đó là lẽ tất nhiên; bất cứ điều gì các phương trình dự đoán sẽ cho bạn biết điều gì xảy ra tiếp theo.
Khi Einstein giải những phương trình đó một khoảng cách lớn so với một khối lượng nhỏ, ông đã lấy lại được định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Khi đến gần khối lượng hơn, anh ta bắt đầu có những hiệu chỉnh, cả hai giải thích quỹ đạo (cho đến nay không thể giải thích được) của Sao Thủy và dự đoán rằng ánh sáng của ngôi sao đi qua gần Mặt trời trong nhật thực toàn phần sẽ bị lệch hướng. Rốt cuộc, đây là cách Thuyết tương đối rộng lần đầu tiên được xác nhận khi đưa vào thử nghiệm.
Nhưng có một vấn đề khác nảy sinh trong một tình huống khác. Nếu chúng ta giả định rằng Vũ trụ được lấp đầy gần như đồng đều với vật chất, chúng ta có thể giải quyết tình huống đó. Điều mà Einstein phát hiện ra thật đáng kinh ngạc: Vũ trụ không ổn định. Nếu nó bắt đầu trong một không thời gian tĩnh, Vũ trụ sẽ tự sụp đổ. Vì vậy, Einstein, để khắc phục điều này, đã phát minh ra một hằng số vũ trụ.
Bạn phải hiểu ý tưởng về hằng số vũ trụ đến từ đâu. Có một công cụ toán học rất mạnh mà chúng tôi sử dụng mọi lúc trong vật lý: một phương trình vi phân . Đừng sợ hãi bởi những lời to tát; một cái gì đó đơn giản như Newton"s F = m a là một phương trình vi phân. Tất cả những gì nó có nghĩa là phương trình này cho bạn biết điều gì đó sẽ hoạt động như thế nào trong thời điểm tiếp theo và sau đó, khi thời điểm đó trôi qua, bạn có thể đặt những số liệu mới đó trở lại cùng một phương trình và nó sẽ tiếp tục cho bạn biết điều gì xảy ra trong khoảnh khăc tiêp theo.
Ví dụ, một phương trình vi phân sẽ cho bạn biết điều gì sẽ xảy ra với một quả bóng lăn xuống một ngọn đồi trên Trái đất. Nó cho bạn biết nó sẽ đi theo con đường nào, nó sẽ tăng tốc như thế nào và vị trí của nó sẽ thay đổi như thế nào tại mọi thời điểm. Chỉ cần giải phương trình vi phân mô tả quả bóng lăn xuống đồi, bạn có thể biết chính xác quỹ đạo của nó.
Phương trình vi phân cho bạn biết hầu hết mọi thứ bạn muốn biết về quả bóng lăn xuống đồi, nhưng có một điều nó không thể cho bạn biết: độ cao cơ bản của mặt đất là bao nhiêu. Bạn không có cách nào để biết liệu bạn đang ở trên một ngọn đồi trên đỉnh cao nguyên, trên một ngọn đồi kết thúc bằng mực nước biển, hay trên một ngọn đồi kết thúc bằng miệng núi lửa rỗng. Một ngọn đồi giống hệt nhau ở cả ba độ cao sẽ được mô tả bằng phương trình vi phân giống hệt nhau.
Vấn đề tương tự xuất hiện trong giải tích khi bạn lần đầu tiên học cách làm một tích phân không xác định; bất cứ ai đã được tính toán sẽ nhớ "cộng C" khét tiếng mà bạn phải thêm vào cuối. Chà, Thuyết tương đối rộng của Einstein không chỉ là một phương trình vi phân, mà là một ma trận của 16 phương trình vi phân, liên quan theo cách mà 10 trong số chúng độc lập với nhau. Nhưng đối với mỗi phương trình vi phân đó, bạn có thể thêm một hằng số theo một cách cụ thể: cái được gọi là hằng số vũ trụ. Có lẽ đáng ngạc nhiên, đó là thứ duy nhất bạn có thể thêm vào Thuyết tương đối rộng - bên cạnh một dạng vật chất hoặc năng lượng khác - về cơ bản sẽ không làm thay đổi bản chất của lý thuyết Einstein.
Xem thêm: Khắc Phục Lỗi Máy Chủ Hiện Đang Quá Tải Lol, Fix Lỗi Máy Chủ Quá Tải Lol
Einstein đưa một hằng số vũ trụ vào lý thuyết của mình không phải vì nó được cho phép, mà vì nó được ưa thích hơn đối với ông. Không cần thêm hằng số vũ trụ vào, các phương trình của ông dự đoán rằng Vũ trụ sẽ giãn nở hoặc co lại, một điều rõ ràng là đã không xảy ra. Thay vì đi theo những gì các phương trình đã nói, Einstein đã ném hằng số vũ trụ vào đó để "sửa chữa" những gì có vẻ là một tình huống bị hỏng. Nếu anh ấy đã lắng nghe các phương trình, anh ấy có thể dự đoán được Vũ trụ đang giãn nở. Thay vào đó, công việc của những người khác sẽ phải đảo ngược những lựa chọn mang tính định kiến của Einstein, với bản thân Einstein chỉ từ bỏ hằng số vũ trụ vào những năm 1930, ngay sau khi Vũ trụ mở rộng đã được thiết lập một cách quan sát.
Vấn đề là, hằng số vũ trụ không giống như các dạng năng lượng mà chúng ta biết. Khi bạn có vật chất trong Vũ trụ, bạn có một số lượng hạt cố định. Khi Vũ trụ mở rộng, số lượng các hạt không đổi, do đó mật độ giảm dần theo thời gian. Với bức xạ, không chỉ số lượng hạt cố định, mà khi bức xạ truyền qua Vũ trụ đang giãn nở, bước sóng của nó giãn ra tương ứng với một người quan sát mà một ngày nào đó sẽ nhận được nó: mật độ của nó giảm xuống, và mỗi lượng tử riêng lẻ cũng mất năng lượng theo thời gian.
Nhưng đối với một hằng số vũ trụ, nó là một dạng năng lượng không đổi có trong không gian. Nó sẽ giống như nếu bề mặt Trái đất không nằm ở mực nước biển, mà thay vào đó được nâng lên thêm vài chục feet hoặc hơn. Đúng, bạn có thể gọi độ cao mới đó là “mực nước biển” (và trên thực tế, chúng ta sẽ làm như vậy nếu chúng ta vẫn còn nước biển ở đây trên Trái đất), nhưng đối với Vũ trụ, chúng ta không thể. Không có cách nào để "biết" giá trị của hằng số vũ trụ là gì; chúng tôi chỉ đơn giản giả định rằng nó sẽ là 0. Nhưng nó không nhất thiết phải như vậy; nó có thể nhận bất kỳ giá trị nào: dương, âm hoặc không.
Nếu chúng ta ngoại suy ngược thời gian - khi Vũ trụ trẻ hơn, nóng hơn, đặc hơn và nhỏ hơn - hằng số vũ trụ sẽ không đáng chú ý. Nó sẽ bị đầm lầy bởi những tác động lớn hơn nhiều của vật chất và bức xạ ngay từ sớm. Chỉ sau khi Vũ trụ giãn nở và nguội đi để mật độ vật chất và bức xạ giảm xuống một giá trị đủ thấp thì hằng số vũ trụ mới có thể xuất hiện.
Đó là, nếu có một hằng số vũ trụ nào đó.
Khi chúng ta nói về năng lượng tối, nó có thể trở thành một hằng số vũ trụ. Chắc chắn, khi chúng ta thực hiện tất cả các quan sát mà chúng ta có cho đến nay, có vẻ như năng lượng tối phù hợp với việc là một hằng số vũ trụ, vì cách tốc độ giãn nở thay đổi theo thời gian đồng ý với nhau, trong những điều không chắc chắn, với những gì một hằng số vũ trụ sẽ chịu trách nhiệm cho. Nhưng có những điều không chắc chắn ở đó, và năng lượng tối có thể là:
tăng hoặc giảm sức mạnh theo thời gian, thay đổi mật độ năng lượng, không giống như một hằng số vũ trụ, hoặc phát triển theo kiểu mới lạ, phức tạp.
Tất nhiên, chúng tôi muốn biết nó có phải là hằng số hay không. Cách chúng ta sẽ đưa ra quyết định này, như mọi khi vẫn xảy ra trong khoa học, là với những quan sát vượt trội và tiếp theo. Bộ dữ liệu lớn là chìa khóa, cũng như lấy mẫu Vũ trụ ở nhiều khoảng cách khác nhau, vì đó là cách ánh sáng phát triển khi nó truyền qua Vũ trụ đang mở rộng cho phép chúng ta xác định - một cách chi tiết - tốc độ mở rộng đã thay đổi như thế nào thời gian. Nếu nó chính xác bằng một hằng số vũ trụ, thì nó sẽ đi theo một đường cong cụ thể; nếu không, nó sẽ đi theo một đường cong khác và chúng ta sẽ có thể thấy điều đó.
Vào cuối những năm 2020, chúng ta sẽ có một cuộc khảo sát khổng lồ và toàn diện trên mặt đất về Vũ trụ nhờ đài quan sát Vera C. Rubin, đài quan sát này sẽ thay thế mọi thứ mà các cuộc khảo sát như Pan-STARRS và Sloan Digital Sky Survey đã thực hiện. Chúng ta sẽ có một bộ dữ liệu khổng lồ dựa trên không gian nhờ vào đài quan sát Euclid của ESA và kính viễn vọng Nancy Roman của NASA, sẽ nhìn thấy Vũ trụ nhiều hơn 50 lần so với những gì Hubble hiện đang thấy. Với tất cả dữ liệu mới lạ này, chúng ta sẽ có thể xác định liệu năng lượng tối, là một thuật ngữ chung cho bất kỳ dạng năng lượng mới nào trong Vũ trụ, có thực sự giống với những gì mà "hằng số vũ trụ" dự đoán, hay liệu nó có thay đổi không theo bất kỳ cách nào.
Nó cực kỳ hấp dẫn - và tôi sẽ thú nhận, đôi khi tôi tự làm điều đó - chỉ đơn giản là kết hợp cả hai, và cho rằng năng lượng tối không có gì phức tạp hơn một hằng số vũ trụ. Có thể hiểu tại sao chúng ta làm điều này: hằng số vũ trụ đã được cho phép như một phần của Thuyết Tương đối Tổng quát mà không cần giải thích thêm. Hơn nữa, chúng ta không biết cách tính năng lượng điểm 0 của không gian trống trong lý thuyết trường lượng tử, và điều đó góp phần tạo nên Vũ trụ theo cùng một kiểu như một hằng số vũ trụ. Cuối cùng, khi chúng tôi thực hiện các quan sát của mình, tất cả chúng đều phù hợp với năng lượng tối là một hằng số vũ trụ, không cần bất cứ điều gì phức tạp hơn.
Nhưng điều đó nhấn mạnh chính xác lý do tại sao việc thực hiện những phép đo mới lạ này lại vô cùng quan trọng. Nếu chúng ta không bận tâm đến việc đo lường Vũ trụ một cách cẩn thận, chính xác và phức tạp, chúng ta sẽ không bao giờ phát hiện ra sự cần thiết của thuyết tương đối của Einstein ngay từ đầu. Chúng ta sẽ không bao giờ khám phá ra vật lý lượng tử, cũng như không bao giờ tiến hành hầu hết các nghiên cứu đoạt giải Nobel thúc đẩy xã hội tiến lên trong thế kỷ 20 và 21. 10 năm nữa, chúng ta sẽ có dữ liệu để biết liệu năng lượng tối có khác với hằng số vũ trụ chỉ 1% hay không.
Hằng số vũ trụ có thể giống như năng lượng tối, nhưng nó không nhất thiết phải như vậy. Ngay cả khi đúng như vậy, chúng tôi vẫn muốn hiểu tại sao nó hoạt động theo cách cụ thể này chứ không phải bất kỳ cách nào khác. Khi năm 2020 sắp kết thúc và năm 2021 bắt đầu, điều quan trọng là phải nhớ bài học quan trọng nhất: câu trả lời cho các câu hỏi vũ trụ sâu sắc nhất của chúng ta được viết trên mặt của Vũ trụ. Nếu chúng ta muốn biết chúng, cách duy nhất là đặt câu hỏi cho chính thực tại vật chất của chúng ta.
Gửi câu hỏi Đặt câu hỏi cho Ethan của bạn tới startwithabang tại gmail dot com !
Starts With A Bang được viết bởi Tiến sĩ Ethan Siegel , tác giả của Beyond The Galaxy , và Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive .
Japanese Spanish German French Thai Portuguese Russian Vietnamese Italian Korean Turkish Indonesian Polish Hindi
NASA đã công bố kế hoạch lớn của họ là quay trở lại Mặt trăng vào ngày 14 tháng 5 năm 2019. Đáng ngạc nhiên là điều này đã không thu hút được nhiều sự chú ý như tôi nghĩ.
Tác phẩm gốc “Gabrielle d"Estrées and One of Her Sisters” (1594) họa sĩ không rõ. “Grimes and One of Her Sisters” (2021) một NFT, ở trên, của tác giả Tôi đã giữ một bản Tuyên ngôn Cộng sản trong tủ đông khi tôi sống ở Los Feliz.
Dấu hiệu của phốt phát trên sao Kim có thể chỉ là lưu huỳnh điôxít, làm dấy lên hy vọng phát hiện ra sự sống trong bầu khí quyển của sao Kim. Vào tháng 9 năm 2020, các nhà thiên văn đã thông báo về khả năng phát hiện ra phosphine trên sao Kim.
Đây là trường nhìn rộng trong vùng hồng ngoại từ hai sứ mệnh của NASA, Kính viễn vọng Không gian Spitzer và Nhà thám hiểm Khảo sát Hồng ngoại Trường Rộng (WISE), được chụp trước khi phát hiện ra nam châm. Tia X từ Chandra cho thấy nam châm có màu tím.
Điều từng được cho là một trường hợp siêu tân tinh hóa ra lại là một sự kiện thiên thể hiếm gặp hơn. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà thiên văn học đã tiết lộ rằng nó là sự bùng phát định kỳ từ một thiên hà, nơi một lỗ đen siêu lớn giải phóng năng lượng sau mỗi 114 ngày khi nó ăn thịt các mảnh của một ngôi sao quay quanh.
NASA đã chụp "Máy bay phản lực màu xanh lam" và "quả cầu màu đỏ" phía trên bão từ không gian
Và sau nhiều năm bí ẩn, cuối cùng chúng ta cũng biết chúng đến từ đâu.Ở đây trên Trái đất, giông bão và các tia sét đi kèm thể hiện sự giải phóng năng lượng cực lớn. Có thể trao đổi tối đa ~ 10 coulombs - trên 10²⁰ electron - có thể được trao đổi với mỗi lần phóng điện.
Michelle Young đã đưa Ryan Fox về nhà sau khi đọc cuốn sổ của anh ấy vào đêm đầu tiên của "The Bachelorette." Ryan giải thích lý do tại sao anh ấy mang theo các ghi chú.
Hãy nướng táo với công thức nấu ăn đơn giản và ngon miệng của ngôi sao Food Network Ree Drummond và món tráng miệng "Người phụ nữ tiên phong" với sự tham gia của trái cây theo mùa.
"The Bold and the Beautiful" Sneak Peek: Deacon & Sheila hợp tác chống lại hy vọng - Ai có được một đồng minh trong Steffy
"The Bold and the Beautiful" của tuần này có sự kết hợp của các tỷ lệ hoành tráng - một điều mà hầu hết người hâm mộ không bao giờ thấy đến trong những giấc mơ ngông cuồng nhất của họ.
Alyson Hannigan gần đây đã tiết lộ rằng một trong những địa điểm mang tính biểu tượng trong "This Is Us" Season 6 thực sự được quay tại nhà của cô ở Los Angeles.
Một nghiên cứu mới từ AAA cho thấy các hệ thống an toàn trên xe tiên tiến gặp khó khăn khi điều kiện thời tiết không tối ưu. Một số lần chạy thử nghiệm thậm chí đã kết thúc trong các vụ va chạm.
Bạn muốn thay đổi tên của mình trên Facebook? Thật dễ dàng để thực hiện chỉ trong vài bước đơn giản.
Nếu bạn luôn không đạt được mục tiêu 10.000 bước hàng ngày tùy ý đó, chúng tôi có tin tốt. Sức khỏe của bạn cũng có thể được hưởng lợi nhiều nếu bạn đi ít bước hơn.
