Pada awal abad ke-20, seorang ilmuwan muda bernama Albert Einstein melihat sifat-sifat cahaya dan massa dan bagaimana mereka berhubungan satu sama lain. Hasil refleksinya adalah teori relativitas. Karyanya mengubah fisika dan astronomi modern dengan cara yang masih terasa sampai sekarang. Setiap siswa mempelajari persamaan E=MC2 mereka yang terkenal untuk memahami bagaimana massa dan energi saling berhubungan. Ini adalah salah satu fakta mendasar tentang keberadaan kosmos.
Apa konstanta kosmologis?
Sedalam persamaan Einstein untuk relativitas umum, mereka menghadirkan masalah. Dia berusaha menjelaskan bagaimana massa dan cahaya ada di alam semesta, bagaimana interaksi mereka dapat menyebabkan alam semesta statis (yaitu, tidak mengembang). Sayangnya, persamaannya memperkirakan bahwa itu akan berkontraksi atau mengembang, dan akan terus berlanjut selamanya, tetapi pada akhirnya akan mencapai titik di mana ia akan berkontraksi.
Rasanya tidak pas untuknya, jadi Einstein harus menjelaskan cara menahan gravitasi,untuk menjelaskan alam semesta statis. Bagaimanapun, sebagian besar fisikawan dan astronom pada masanya hanya berasumsi bahwa inilah masalahnya. Jadi Einstein menemukan faktor Fudge, yang disebut "konstanta kosmologis", yang mengatur persamaan dan menghasilkan alam semesta yang tidak mengembang atau menyusut. Dia datang dengan tanda "lambda" (huruf Yunani), yang menunjukkan kepadatan energi dalam ruang hampa. Ini mengontrol ekspansi, dan kekurangannya menghentikan proses ini. Sekarang diperlukan faktor untuk menjelaskan teori kosmologis.
Bagaimana cara menghitungnya?
Albert Einstein mempresentasikan versi pertama dari teori relativitas umum (GR) kepada publik pada tanggal 25 November 1915. Persamaan asli Einstein terlihat seperti ini:
Di dunia modern, konstanta kosmologis adalah:
Persamaan ini menjelaskan teori relativitas. Juga, sebuah konstanta juga disebut anggota lambda.
Galaksi dan Alam Semesta yang mengembang
Konstanta kosmologis tidak memperbaiki hal-hal seperti yang dia harapkan. Sebenarnya, itu berhasil, tetapi hanya untuk sementara waktu. Masalah konstanta kosmologis belum terpecahkan.
Ini berlanjut sampai ilmuwan muda lainnya, Edwin Hubble, melakukan pengamatan mendalam terhadap bintang variabel di galaksi jauh. Kedipan mereka mengungkapkan jarak ke struktur kosmik ini dan banyak lagi.
Pekerjaan Hubble telah menunjukkanalam semesta tidak hanya mencakup banyak galaksi lain, tetapi ternyata, ia berkembang, dan sekarang kita tahu bahwa laju proses ini berubah seiring waktu. Ini sebagian besar mengurangi konstanta kosmologis Einstein menjadi nol, dan ilmuwan besar itu harus merevisi asumsinya. Para peneliti belum sepenuhnya meninggalkannya. Namun, Einstein kemudian menyebut menambahkan konstanta ke relativitas umum sebagai kesalahan terbesar dalam hidupnya. Tapi benarkah?
Konstanta kosmologi baru
Pada tahun 1998, tim ilmuwan yang bekerja dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble, mempelajari supernova jauh, melihat sesuatu yang sama sekali tidak terduga: perluasan alam semesta semakin cepat. Apalagi kecepatan prosesnya tidak seperti yang mereka harapkan dan telah terjadi di masa lalu.
Mengingat bahwa alam semesta penuh dengan massa, tampaknya logis bahwa ekspansi akan melambat, meskipun sangat kecil. Dengan demikian, penemuan ini tampaknya bertentangan dengan apa yang diprediksi oleh persamaan dan konstanta kosmologis Einstein. Para astronom tidak mengerti bagaimana menjelaskan percepatan ekspansi yang nyata. Mengapa, bagaimana ini terjadi?
Jawaban pertanyaan
Untuk menjelaskan percepatan dan gagasan kosmologis tentangnya, para ilmuwan telah kembali ke gagasan teori aslinya.
Spekulasi terbaru mereka tidak mengesampingkan keberadaan sesuatu yang disebut energi gelap. Itu adalah sesuatu yang tidak dapat dilihat atau dirasakan, tetapi efeknya dapat diukur. Ini sama dengan gelapmateri: pengaruhnya dapat ditentukan dengan bagaimana ia mempengaruhi materi cahaya dan tampak.
Astronom mungkin belum tahu apa itu energi gelap. Namun, mereka tahu bahwa itu mempengaruhi perluasan alam semesta. Untuk memahami proses ini, diperlukan lebih banyak waktu untuk observasi dan analisis. Mungkin teori kosmologi bukanlah ide yang buruk? Bagaimanapun, ini dapat dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa energi gelap memang ada. Rupanya, ini benar dan para ilmuwan perlu mencari penjelasan lebih lanjut.
Apa yang terjadi di awal?
Model kosmologis asli Einstein adalah model homogen statis dengan geometri bola. Efek gravitasi materi menyebabkan percepatan dalam struktur ini, yang tidak dapat dijelaskan oleh Einstein, karena pada saat itu tidak diketahui bahwa alam semesta mengembang. Oleh karena itu, ilmuwan memperkenalkan konstanta kosmologis ke dalam persamaan relativitas umumnya. Konstanta ini diterapkan untuk melawan tarikan gravitasi materi, dan karenanya telah digambarkan sebagai efek anti-gravitasi.
Omega Lambda
Alih-alih konstanta kosmologis itu sendiri, para peneliti sering merujuk pada hubungan antara kerapatan energi yang diakibatkannya dan kerapatan kritis alam semesta. Nilai ini biasanya dilambangkan sebagai berikut:. Di alam semesta yang datar, sesuai dengan sebagian kecil dari kerapatan energinya, yang juga dijelaskan oleh konstanta kosmologis.
Perhatikan bahwa definisi ini terkait dengan densitas kritis dari zaman saat ini. Itu berubah seiring waktu, tetapi kepadatannyaenergi, karena konstanta kosmologis, tetap tidak berubah sepanjang sejarah alam semesta.
Mari kita pertimbangkan lebih jauh bagaimana ilmuwan modern mengembangkan teori ini.
Bukti kosmologis
Studi saat ini tentang alam semesta yang mempercepat sekarang sangat aktif, dengan banyak eksperimen berbeda yang mencakup skala waktu, skala panjang, dan proses fisik yang sangat berbeda. Model CDM kosmologis telah dibuat, di mana Alam Semesta itu datar dan memiliki karakteristik sebagai berikut:
- kerapatan energi, yaitu sekitar 4% dari materi barionik;
- 23% materi gelap;
- 73% dari konstanta kosmologis.
Hasil pengamatan kritis yang membawa konstanta kosmologis ke signifikansinya saat ini adalah penemuan bahwa supernova Tipe Ia (0<z<1) yang digunakan sebagai lilin standar lebih lemah dari yang diperkirakan di alam semesta yang melambat. Sejak itu, banyak kelompok telah mengkonfirmasi hasil ini dengan lebih banyak supernova dan rentang pergeseran merah yang lebih luas.
Mari kita jelaskan lebih detail. Yang paling penting dalam pemikiran kosmologis saat ini adalah pengamatan bahwa supernova pergeseran merah yang sangat tinggi (z>1) lebih terang dari yang diharapkan, yang merupakan tanda yang diharapkan dari waktu perlambatan yang mengarah ke periode percepatan kita saat ini. Sebelum rilis hasil supernova pada tahun 1998, sudah ada beberapa bukti yang membuka jalan untuk relatif cepatpenerimaan teori percepatan alam semesta dengan bantuan supernova. Secara khusus, tiga di antaranya:
- Alam semesta ternyata lebih muda dari bintang tertua. Evolusi mereka telah dipelajari dengan baik, dan pengamatan mereka dalam gugus bola dan di tempat lain menunjukkan bahwa formasi tertua berusia lebih dari 13 miliar tahun. Kita dapat membandingkannya dengan usia alam semesta dengan mengukur tingkat ekspansinya hari ini dan menelusuri kembali ke waktu Big Bang. Jika alam semesta melambat ke kecepatannya saat ini, maka usianya akan lebih kecil daripada jika dipercepat ke kecepatannya saat ini. Alam semesta yang datar dan hanya memiliki materi akan berusia sekitar 9 miliar tahun, masalah besar mengingat usianya beberapa miliar tahun lebih muda dari bintang tertua. Di sisi lain, alam semesta datar dengan 74% konstanta kosmologis akan berusia sekitar 13,7 miliar tahun. Jadi melihat bahwa dia sedang berakselerasi memecahkan paradoks usia.
- Terlalu banyak galaksi yang jauh. Jumlah mereka telah digunakan secara luas dalam upaya untuk memperkirakan perlambatan ekspansi Semesta. Jumlah ruang antara dua pergeseran merah berbeda tergantung pada sejarah ekspansi (untuk sudut padat tertentu). Menggunakan jumlah galaksi antara dua pergeseran merah sebagai ukuran volume ruang, pengamat telah menentukan bahwa objek yang jauh tampak terlalu besar dibandingkan dengan prediksi alam semesta yang melambat. Entah luminositas galaksi atau jumlahnya per satuan volume berevolusi dari waktu ke waktu dengan cara yang tidak terduga, atau volume yang kami hitung salah. Masalah percepatan bisaakan menjelaskan pengamatan tanpa memicu teori evolusi galaksi yang aneh.
- Kerataan alam semesta yang dapat diamati (meskipun bukti tidak lengkap). Dengan menggunakan pengukuran fluktuasi suhu di latar belakang gelombang mikro kosmik (cosmic microwave background (CMB), sejak waktu alam semesta berusia sekitar 380.000 tahun, dapat disimpulkan bahwa ia datar secara spasial hingga beberapa persen. Dengan menggabungkan data ini dengan pengukuran yang akurat dari kerapatan materi di alam semesta, menjadi jelas bahwa ia hanya memiliki sekitar 23% dari kerapatan kritis. Salah satu cara untuk menjelaskan kepadatan energi yang hilang adalah dengan menerapkan konstanta kosmologis. Ternyata, sejumlah tertentu hanya diperlukan untuk menjelaskan percepatan yang diamati dalam data supernova. Ini hanyalah faktor yang diperlukan untuk membuat alam semesta datar. Oleh karena itu, konstanta kosmologis menyelesaikan kontradiksi yang tampak antara pengamatan kepadatan materi dan CMB.
Apa gunanya?
Untuk menjawab pertanyaan yang muncul, perhatikan hal berikut. Mari kita coba menjelaskan arti fisis dari konstanta kosmologis.
Kita ambil persamaan GR-1917 dan keluarkan tensor metrik gab dari tanda kurung. Oleh karena itu, di dalam tanda kurung kita akan memiliki ekspresi (R / 2 -). Nilai R direpresentasikan tanpa indeks - ini adalah kelengkungan skalar yang biasa. Jika Anda menjelaskan dengan jari - ini adalah kebalikan dari jari-jari lingkaran / bola. Ruang datar sesuai dengan R=0.
Dalam interpretasi ini, nilai bukan nol berarti Alam Semesta kita melengkungdengan sendirinya, termasuk tanpa adanya gravitasi. Namun, sebagian besar fisikawan tidak percaya ini dan percaya bahwa kelengkungan yang diamati pasti memiliki beberapa penyebab internal.
Materi gelap
Istilah ini digunakan untuk materi hipotetis di alam semesta. Ini dirancang untuk menjelaskan banyak masalah dengan model kosmologis Big Bang standar. Para astronom memperkirakan bahwa sekitar 25% dari alam semesta terdiri dari materi gelap (mungkin dirakit dari partikel tidak standar seperti neutrino, axion, atau Weakly Interacting Massive Particles [WIMPs]). Dan 70% dari Alam Semesta dalam model mereka terdiri dari energi gelap yang lebih tidak jelas, hanya menyisakan 5% untuk materi biasa.
kosmologi kreasionis
Pada tahun 1915, Einstein memecahkan masalah penerbitan teori relativitas umumnya. Dia menunjukkan bahwa presesi anomali adalah konsekuensi dari bagaimana gravitasi mendistorsi ruang dan waktu dan mengontrol gerakan planet-planet ketika mereka sangat dekat dengan benda-benda masif, di mana kelengkungan ruang paling menonjol.
Gravitasi Newton bukanlah deskripsi yang sangat akurat tentang gerakan planet. Terutama ketika kelengkungan ruang bergerak menjauh dari kerataan Euclidean. Dan relativitas umum menjelaskan perilaku yang diamati hampir persis. Jadi, baik materi gelap, yang menurut beberapa orang berada dalam cincin materi tak kasat mata di sekitar Matahari, maupun planet Vulcan itu sendiri, tidak diperlukan untuk menjelaskan anomali tersebut.
Kesimpulan
Pada hari-hari awalkonstanta kosmologis akan diabaikan. Di lain waktu, kerapatan materi pada dasarnya akan menjadi nol, dan alam semesta akan kosong. Kita hidup di zaman kosmologis yang singkat ketika materi dan vakum memiliki besaran yang sebanding.
Dalam komponen materi, tampaknya, ada kontribusi dari sumber baryon dan non-baryon, keduanya sebanding (setidaknya, rasionya tidak bergantung pada waktu). Teori ini goyah di bawah beban ketidakwajarannya, namun tetap melewati garis finis jauh di depan kompetisi, sangat cocok dengan data.
Selain membenarkan (atau menyangkal) skenario ini, tantangan utama bagi kosmolog dan fisikawan di tahun-tahun mendatang adalah memahami apakah aspek-aspek yang tampaknya tidak menyenangkan dari alam semesta kita ini hanyalah kebetulan yang menakjubkan atau benar-benar mencerminkan struktur dasar yang kita belum mengerti.
Jika kita beruntung, segala sesuatu yang tampak tidak wajar sekarang akan menjadi kunci untuk pemahaman yang lebih mendalam tentang fisika dasar.
