In ferner Zukunft kann das Universum verschiedene Varianten des Schicksals erwarten , aber wenn die Dunkle Energie wirklich konstant ist - wie alle Daten dies belegen -, wird ihre Entwicklung weiterhin der roten Kurve folgen. Diese Kurve führt das Universum zu einer Variante des Hitzetodes. Dunkle Energie muss jedoch keine kosmologische Konstante sein.
Eine der mysteriösesten Komponenten des Universums ist die Dunkle Energie.... Um ehrlich zu sein, hätte es überhaupt nicht dort sein dürfen. Früher haben wir logischerweise angenommen, dass das Universum ausgeglichen ist und dass seine Ausdehnung durch die Schwerkraft, die auf alles in ihm wirkt, entgegengesetzt wird. Wenn die Schwerkraft gewinnt, wird das Universum wieder zusammenbrechen. Wenn die Erweiterung gewinnt, wird alles in Vergessenheit geraten. Beobachtungen nach 1990 deuten jedoch darauf hin, dass die Expansion nicht nur zunimmt - entfernte Galaxien treten immer schneller von uns zurück. Kann man dies jedoch eine neue Idee nennen, oder ist es nur eine Auferstehung dessen, was Einstein einst seinen größten Fehler nannte: die kosmologische Konstante ? Diese Frage wird von unserem Leser gestellt:
Einsteins kosmologische Konstante und dunkle Energie dasselbe? Warum ersetzte der Begriff "dunkle Energie" schließlich den ursprünglichen Begriff "kosmologische Konstante"? Sind sie identisch oder nicht und warum?
Hier gibt es mehrere Fragen. Kehren wir zu Einsteins ursprünglicher Idee zurück, der kosmologischen Konstante.
Heute wissen wir, dass ein erheblicher Anteil anderer Galaxien als der Milchstraße spiralförmig ist. Alle Spiralnebel, die wir seit den 1920er Jahren untersucht haben, sind andere Galaxien. Zu Einsteins Zeiten war dies jedoch alles andere als offensichtlich.
Es muss daran erinnert werden, dass wir wenig über das Universum wussten, als Einstein an der Gravitationstheorie arbeitete, die Newtons Gesetz der universellen Gravitation ersetzen und ersetzen sollte. Natürlich gibt es die Astronomie seit Tausenden von Jahren, und Teleskope gibt es die meiste Zeit. Wir haben Sterne, Kometen, Asteroiden und Nebel gemessen. Wir haben die Geburt neuer und Supernovae gesehen. Wir haben variable Sterne und Atome entdeckt. Wir fanden interessante Strukturen am Himmel - spiralförmig und elliptisch.
Aber wir wussten nicht, dass diese Spiralen und Ellipsen unabhängige Galaxien waren. Diese Idee war nur die zweitbeliebteste; Die führende Meinung war, dass dies bestimmte Einheiten (die möglicherweise Sterne bilden) innerhalb der Milchstraße sind, die das gesamte Universum repräsentieren. Einstein suchte nach einer Gravitationstheorie, die auf alles angewendet werden konnte - einschließlich des gesamten bekannten Universums.
Das Gravitationsverhalten der Erde in der Nähe der Sonne lässt sich besser nicht durch das Vorhandensein einer unsichtbaren Gravitationsanziehung erklären, sondern durch den freien Fall der Erde im von der Sonne gekrümmten Raum. Der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten ist keine gerade Linie, sondern eine geodätische Linie - eine gekrümmte Linie, die durch die Gravitationsverformung der Raumzeit bestimmt wird.
Das Problem wurde offensichtlich, als Einstein seine größte Leistung formulieren konnte: die Allgemeine Relativitätstheorie (GR). Anstatt sich auf Massen zu verlassen, die über unendliche Entfernungen unendlich schnell aufeinander einwirken, präsentierte Einstein ein völlig anderes Konzept. Erstens, da Raum und Zeit nicht absolut, sondern für jeden Beobachter relativ waren, musste die Theorie für alle Beobachter identische Vorhersagen treffen: Wie Physiker sagen, " relativistisch invariant" sein"Und dies bedeutete, dass die getrennten Konzepte von Raum und Zeit zu einem einzigen vierdimensionalen Gefüge von Raum-Zeit verwoben werden mussten. Gravitationseffekte breiteten sich nicht mehr mit unendlicher Geschwindigkeit aus, sondern waren durch die Geschwindigkeit der Schwerkraft begrenzt, die dementsprechend begrenzt war ist nach Einsteins Theorie gleich der Lichtgeschwindigkeit.
Einsteins entscheidender Durchbruch war der Ersatz der sich gegenseitig anziehenden Massen durch die Krümmung der Raum-Zeit, die sowohl Materie als auch Energie beeinflusst. Die gekrümmte Raumzeit bestimmte, wie sich Materie und Energie bewegen mussten. Und Materie und Energie sagen dem Raum zu jedem Zeitpunkt, wie er sich biegen soll. Und so beeinflussen sie sich gegenseitig - nach jeder Verschiebung von Materie und Energie ändert sich die Krümmung des Raums leicht. Ihre Änderungen werden durch die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt.
Animation der Reaktion der Raumzeit auf eine sich bewegende Masse darin. Man kann sich Raumzeit nicht als zweidimensionales "Gewebe" vorstellen, sondern als reales Objekt. Der dreidimensionale Raum ist aufgrund des Vorhandenseins und der Eigenschaften von Materie und Energie gekrümmt. Die Bewegung mehrerer Massen umeinander verursacht Gravitationswellen.
Wenn Einstein dort angehalten hätte, hätte er die Weltraumrevolution gestartet. Einerseits (sozusagen einerseits das Gleichheitszeichen in der Gleichung) die gesamte Materie und Energie des Universums. Andererseits die Krümmung der Raumzeit. Es sollte dort enden - die Vorhersagen der Gleichung sollten Ihnen sagen, was in Zukunft passieren wird.
Und als Einstein diese Gleichungen für eine große Entfernung von einer kleinen Masse löste, erhielt er Newtons Gesetz der universellen Gravitation. Bei der Annäherung an die Masse schlichen sich jedoch Korrekturen ein - sowohl die Erklärung der zuvor ungeklärten Abweichungen der Umlaufbahn des Merkur als auch die Vorhersage, dass das Licht der von der Sonne vorbeiziehenden Sterne von einer geraden Linie abweichen sollte. So wurde die allgemeine Relativitätstheorie erstmals in der Praxis bestätigt.
In einer anderen Situation trat jedoch ein anderes Problem auf. Wenn wir annehmen, dass das Universum gleichmäßig mit Materie gefüllt ist, dann ergibt sich aus den Gleichungen, dass es instabil ist. Wenn es in statischer Raumzeit zu existieren begann, muss es zusammenbrechen. Um Abhilfe zu schaffen, erfand Einstein die kosmologische Konstante.
Wenn sich das Universum nicht ausdehnt, kann es mit stationärer Materie jeglicher Art gefüllt werden, aber es wird immer in ein Schwarzes Loch fallen. Im Kontext von Einsteins Schwerkraft ist ein solches Universum instabil und muss sich ausdehnen.
Wir müssen verstehen, woher die Idee der kosmologischen Konstante kommt. In der Mathematik gibt es ein mächtiges Werkzeug, das in der Physik allgegenwärtig ist: die Differentialgleichung . Es könnte so einfach sein wie das Newtonsche Gesetz F = ma. Diese Gleichung erklärt einfach, wie sich bestimmte Größen im nächsten Moment verhalten werden. Nachdem dieser Moment vergangen ist, können sie in dieselbe Gleichung eingesetzt werden, und es wird erneut vorhergesagt, was mit ihnen im nächsten Moment geschehen wird.
Eine Differentialgleichung kann zum Beispiel sagen, was mit einem Ball passiert, der einen Hügel hinunter rollt. Es gibt an, welchen Weg es nehmen wird, wie es beschleunigen wird, wie sich sein Standort im Laufe der Zeit ändern wird. Durch Lösen der Differentialgleichung, die die Bewegung eines Balls beschreibt, der einen Hügel hinunter rollt, können Sie seine Flugbahn genau darstellen.
Die Differentialgleichung sagt Ihnen fast alles, was Sie über einen Ball wissen wollen, der einen Hügel hinunter rollt. Aber eines kann man nicht sagen: wie hoch der Hügel ist. Sie wissen nicht, ob sich dieser Hügel auf einem Bergplateau befindet, ob er auf Meereshöhe endet oder im Krater eines erloschenen Vulkans. Identische Hügel in unterschiedlichen Höhen werden durch dieselbe Differentialgleichung beschrieben.
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Ein ähnliches Problem tritt im Kalkül auf, wenn Sie zum ersten Mal lernen, das unbestimmte Integral zu nehmen - die berüchtigte "Plus-Konstante", die am Ende hinzugefügt werden muss. Natürlich ist die allgemeine Relativitätstheorie nicht eine Differentialgleichung, sondern eine Matrix von 16 Differentialgleichungen, von denen 10 nicht voneinander abhängen. Aber jedem von ihnen kann auf eine bestimmte Weise eine Konstante hinzugefügt werden - und sie wurde als kosmologische Konstante bekannt. Sie werden vielleicht überrascht sein, aber dies ist das einzige, was zur allgemeinen Relativitätstheorie hinzugefügt werden kann, ohne das Wesen der Theorie grundlegend zu verändern (mit Ausnahme einer anderen Form von Materie oder Energie).
ABER Einstein fügte seiner Theorie die kosmologische Konstante hinzu, nicht weil dies möglich war, sondern weil es aus seiner Sicht vorzuziehen war. Ohne eine Konstante hinzuzufügen, sagten seine Gleichungen, dass sich das Universum ausdehnen oder zusammenziehen sollte, aber nichts dergleichen war erkennbar. Und anstatt den Gleichungen zu glauben, injizierte Einstein eine Konstante in sie, um eine scheinbar gebrochene Situation zu "reparieren". Hätte er sich die Gleichungen angehört, hätte er die Expansion des Universums vorhergesagt. Stattdessen widerlegte die Arbeit anderer Wissenschaftler Einsteins Wahl, und er selbst gab die kosmologische Konstante erst in den 1930er Jahren auf, als die Expansion des Universums durch Beobachtungen bestätigt wurde.
Während der Expansion des Universums werden gewöhnliche und dunkle Materie sowie Strahlung weniger dicht. Dunkle Energie und Feldenergie während des Aufblasens sind jedoch dem Raum selbst inhärent. Daher bleibt die Dichte der dunklen Energie konstant.
Das Problem ist, dass die kosmologische Konstante nicht den uns bekannten Energieformen entspricht. Nehmen Sie Materie - es gibt eine konstante Menge ihrer Teilchen im Universum. Mit der Expansion des Universums ändert es sich nicht, so dass seine Dichte abnimmt. Wenn wir Strahlung nehmen, ist nicht nur die Anzahl der Quanten konstant, sondern die Strahlung, die sich durch das expandierende Universum bewegt, wird aus der Sicht eines Beobachters gestreckt, der sie eines Tages einfangen wird. Seine Dichte nimmt ab und jedes Quanten verliert mit der Zeit auch Energie.
Aber die kosmologische Konstante ist eine konstante Form von Energie, die dem Raum selbst innewohnt. Es ist, als ob die Erdoberfläche nicht auf Meereshöhe wäre, sondern um mehrere Meter ansteigen würde. Ja, diese neue Höhe könnte einfach als "Meeresspiegel" bezeichnet werden, aber dies funktioniert nicht mit dem Universum. Es gibt keine Möglichkeit, die Größe des Wertes der kosmologischen Konstante herauszufinden - wir haben einfach angenommen, dass sie Null ist. Dies ist jedoch nicht erforderlich - es kann ein beliebiger Wert sein, positiv, negativ oder Null.
Verschiedene Komponenten und Beiträge zur Energiedichte des Universums und ihre relative Dominanz. In den ersten 9000 Jahren dominierte die Strahlung die Materie, dann begann die Materie zu dominieren, und dann kam die kosmologische Konstante heraus. Alle anderen Komponenten sind zu wenig. Dunkle Energie entspricht jedoch möglicherweise nicht der kosmologischen Konstante.
Wenn wir die Zeit auf ein früheres, heißes, dichtes und flaches Universum zurückrechnen, bemerken wir möglicherweise nicht die kosmologische Konstante. In den frühen Stadien war es durch Materie und Strahlung weit unterlegen. Erst nachdem sich das Universum ausgedehnt und abgekühlt hatte, sank die Dichte von Materie und Energie so weit, dass sich die kosmologische Konstante manifestieren konnte.
Das heißt, wenn es überhaupt existiert.
Dunkle Energie kann sich als kosmologische Konstante herausstellen. Und tatsächlich scheint es unter Berücksichtigung aller heutigen Beobachtungen so zu sein - die Änderung der Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit schreitet voran, wie es die kosmologische Konstante vorschreibt. Hier gibt es jedoch einige Fehler, so dass dunkle Energie im Prinzip im Laufe der Zeit auftreten kann:
- erhöhen oder verringern,
- die Energiedichte ändern,
- auf eine neue komplexe Weise entwickeln.
Obwohl wir die Werte der Dunklen Energie in den letzten 6 Milliarden Jahren begrenzt haben, können wir sie nicht mit absoluter Genauigkeit als konstant bezeichnen.
Die Dichten von Materie, Strahlung und Dunkler Energie sind bekannt. Für dunkle Energie gibt es jedoch immer noch viel Spielraum in den Gleichungen. Sie kann konstant sein, sich aber auch im Laufe der Zeit ändern.
Wir würden natürlich gerne wissen, ob es konstant ist oder nicht. Und wir werden herausfinden, wie es in der Wissenschaft üblich ist - Beobachtungen zu verbessern und sie konsequent durchzuführen. Der Schlüssel dazu sind große Datenmengen sowie die Untersuchung des Universums über einen weiten Bereich von Entfernungen. Schließlich helfen uns kleinste Details der zeitlichen Änderung der Expansionsrate des Universums herauszufinden, wie sich das durch das Universum wandernde Licht verändert hat. Wenn die Dunkle Energie genau der kosmologischen Konstante entspricht, folgt ihre Entwicklung einer bestimmten Kurve. Wenn nicht, dann noch eine, und wir können es sehen.
Bis Ende der 2020er Jahre werden wir einen riesigen und komplexen bodengestützten Komplex haben, um das Universum zu beobachten. Alles dank dem Observatorium. Vera RubinDies wird die Leistungen aller vorhandenen Instrumente wie Pan-STARRS und Sloan Sky Survey übertreffen . Dank des Europäischen Euklid-Observatoriums und des Nancy Roman-Teleskops der NASA werden wir eine Vielzahl von Weltraumbeobachtungen durchführen können - sie können 50-mal mehr Details sehen als das Hubble-Teleskop. All diese neuen Daten werden uns helfen festzustellen, ob die Dunkle Energie tatsächlich mit den Vorhersagen der kosmologischen Konstante identisch ist und ob sie sich im Laufe der Zeit ändert.
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Es ist eine große Versuchung - manchmal bin ich schuldig -, diese beiden Konzepte zu kombinieren und zu betrachten, dass dunkle Energie nur eine kosmologische Konstante ist. Es ist klar, warum man das will - die kosmologische Konstante ist bereits Teil der allgemeinen Relativitätstheorie und muss nicht separat erklärt werden. Darüber hinaus wissen wir nicht, wie man die Nullenergie des leeren Raums in der Quantenfeldtheorie berechnet, und sie leistet genau den gleichen Beitrag zum Universum wie die kosmologische Konstante. Schließlich stimmen alle unsere Beobachtungen mit der Tatsache überein, dass dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist und nichts weiter kompliziert werden muss.
Daraus folgt jedoch die extreme Bedeutung der neuen Dimensionen. Wenn wir uns nicht die Mühe gemacht hätten, das Universum sorgfältig und genau zu messen, hätten wir die Relativitätstheorie nie entdeckt. Wir hätten die Quantenphysik nicht entdeckt, wir hätten den größten Teil der Forschung, die den Nobelpreis einbrachte und uns in das 20. und 21. Jahrhundert trieb, nicht durchgeführt. In 10 Jahren werden wir Daten haben, mit denen festgestellt werden kann, ob die Dunkle Energie mit einem Fehler von 1% von der kosmologischen Konstante abweicht.
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Die kosmologische Konstante kann sich als identisch mit der Dunklen Energie herausstellen, dies ist jedoch nicht erforderlich. Und selbst wenn sie sich als gleich herausstellen, werden wir immer noch verstehen wollen, warum sich die kosmologische Konstante so verhält und nicht anders. Im kommenden Jahr 2021 ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Antworten auf unsere tiefsten kosmischen Fragen auf dem Gesicht des Universums zu sehen sind. Der einzige Weg, sie zu bekommen, besteht darin, sich der physischen Realität selbst zuzuwenden.