⏩ 🙀 🦃 اسأل إيثان رقم 59: ما هي الطاقة المظلمة؟ 🤾🏽 🐭 👇🏿

الكون ، بالطبع ، يتوسع ، وهذا التوسع يتسارع. ولكن ما الذي نعرفه عن هذه العملية إلى جانب الاسم البسيط "الطاقة المظلمة"؟

بالاختيار بين اليأس والطاقة ، سأختار الأخير
- جون كيتس

طوال الأسبوع ، كنت تجهد عقلك في محاولة طرح سؤال عميق وغامض عن الكون ، ولدينا الكثير من الأسئلة الرائعة - إنه لأمر مؤسف أن أختار واحدًا منهم فقط. هذا الأسبوع ، يذهب الشرف إلى Piusz Gupte ، الذي يسأل:

علمنا أن الطاقة المظلمة تمثل حوالي 70 ٪ من طاقة الكون. لدينا دليل على وجودها من خلال الملاحظات المختلفة. وهو يؤثر حقًا على تطور الكون. ولكن ما هي الطاقة المظلمة؟ هل لدينا فكرة؟ هل هناك نماذج مقبولة لها؟

ولدينا حقًا فكرتان جيدتان ، ولكن دعونا نقارن معرفتنا أولاً.

أول شيء يجب قبوله هو مفهوم الزمكان ، بالإضافة إلى أهم فكرة للنظرية النسبية العامة: ترتبط كمية ونوع المادة والطاقة في الكون ارتباطًا وثيقًا بتطور الزمكان مع تحرك الكون في الوقت المناسب. قبل آينشتاين كان يعتقد أن المكان والزمان ثابتان وثابتان. من ناحية ، هناك مساحة يمكن تمثيلها كشبكة ثابتة ثلاثية الأبعاد ، ومن ناحية أخرى ، هناك وقت ، سلسلة متصلة منفصلة تتحرك من خلالها جميع نقاط الفضاء في وقت واحد.

في النسبية العامة ، يتغير كل هذا مرة واحدة بطريقتين - وكلاهما مهم جدًا.

أولاً ، لا يمكن فصل المكان والزمان عن بعضهما البعض. تتحرك جميع الكائنات خلال الزمكان بالنسبة لبعضها البعض. من فكرة أن موقعك في المكان والزمان ليس مهمًا فحسب ، بل أيضًا سرعتك ، أي الحركة عبر المكان والزمان ، يتبعها اسم نظرية النسبية. إذا كنت أنا وأنت في نفس الوقت في الزمكان ، لكنك تتحرك بالنسبة لي بسرعة كبيرة ، فإننا نتحرك بشكل مختلف ليس فقط عبر الفضاء ، ولكن أيضًا عبر الزمن. من هنا تأتي فكرة أن الساعة تعمل بسرعات مختلفة للمراقبين من أطر مرجعية مختلفة ، وكذلك مفارقة التوائم.

لذلك ، المكان والزمان ليسا مطلقين ومستقلين عن بعضهما البعض. تتحرك جميع الأجسام عبر الفضاء وعبر الزمان ، وإذا انتقلت عبر الفضاء أسرع من شخص آخر ، فستتحرك عبر الزمن أبطأ منه. لذلك ، عندما تطير بعيدًا في صاروخ يتحرك بسرعة 99٪ من سرعة الضوء لمدة 9.9 سنة ضوئية ، ثم تستدير وتعود بسرعة 99٪ من سرعة الضوء الخلفي ، ستجد أن كل شخص على وجه الأرض قد بلغ 20 عامًا ، وأنت فقط لمدة 3 سنوات.

الاختلاف الثاني هو أن الزمان والمكان الذي تعيش فيه الآن - الذي يصف الكون بأكمله - يختلف عن المكان الذي كان موجودًا في الوقت الذي بدأت فيه بقراءة هذه الجملة. يتوسع الكون بمرور الوقت ، ويتم تحديد معدل التمدد من خلال أنواع مختلفة من المواد والطاقة الموجودة الآن في الكون. يتغير معدل التوسع بمرور الوقت ، نظرًا لأن كثافة الطاقة ، أو كمية المادة والطاقة لكل وحدة حجم ، في المادة والإشعاع ينخفضان مع توسع الكون.

ولكن هناك أشياء أخرى إلى جانب المادة والإشعاع في الكون ؛ هناك العديد من اللاعبين الآخرين ، بما في ذلك:

العيوب الطوبوغرافية
سلاسل كونية
حدود المجال
انحناء ملازم
طاقة الفضاء الكامنة
حقل متغير يمكن أن يكون له أي خصائص

ما هو عظيم في الموارد الوراثية هو وضوح تنبؤاته: نحتاج فقط إلى قياس توسع الكون بمرور الوقت ، وسوف نتعلم كل شيء عن أنواع المواد والطاقة وما هي نسبها ، وبأي درجة من الثقة يمكننا أن نقول أنها مثل أن نتخيلهم.

تأتي ملاحظاتنا من ثلاثة مصادر: أولاً ، قياسات المسافات إلى الأجسام البعيدة ، مثل النجوم والمجرات والمستعرات الأعظمية. من خلال قياس السطوع الظاهر للأشياء ومقارنتها مع السطوع الأصلي ، المعروف لنا ، يمكننا حساب المسافة إليها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكننا قياس انزياحها الأحمر ، مما يعطينا فكرة عن توسع الكون منذ اللحظة التي ينبعث منها الضوء. ويمنحنا هذا المزيج الفرصة لفهم كيف تغير توسع الكون بمرور الوقت.

الطريقة الثانية هي قياس التقلبات المختلفة في إشعاع الخلفية بالموجات الدقيقة. نظرًا لطبيعة تفاعل المادة والطاقة في الكون الآخذ في الاتساع ، ولأن الإشعاع المتبقي للانفجار الكبير لم ينتشر في المادة المؤينة ، نظرًا لأن عمر الكون كان بضع مئات الآلاف من السنين فقط ، يمكننا الحصول على لقطة لحالة الكون التي يقع فيها لفترة طويلة. لكن كل هذا الضوء سافر قبلنا 13.8 مليار سنة ، وشهد انزياحًا أحمر مع توسع الكون ، مما يمنحنا بعدًا آخر للتاريخ الكوني الكامل للتوسع.

أخيرًا ، يمكن للمرء دراسة هياكل الكون على أوسع نطاق. بسبب المنافسة الفضائية الكبيرة التي كانت مستمرة طوال الوقت منذ ولادة الكون - بين الجاذبية ، وجذب المادة وتشكيل هياكل التعاقد ، والتوسع ، الأمر الذي يفرق بين كل شيء ، يمكننا دراسة أحجام الهياكل وقياساتها وكثافتها ، بالإضافة إلى تطورها على مدى فترات طويلة الوقت الذي يعطينا طريقة القياس الثالثة.

من خلال الجمع بين الطرق الثلاث ، يمكننا التحقق من الاتصال والدقة من خلال إظهار أنها جميعها تعطي نفس النتيجة ، والتي تتزامن مع جميع البيانات. ولدي أخبار رائعة لك: كل شيء هو نفسه!

باستخدام هذه الأدوات ، يمكننا معرفة ما يتكون الكون ، مع حساب مستوى ثقتنا في هذه الأرقام. الآن يعتقد أن تكوينه على النحو التالي:

0,01% — ,
4,9% — , ,
27% — , , 0,1%,
68% —

إذن ما هي "الطاقة المظلمة" من هذا القبيل؟

بقدر ما يمكن للمرء أن يحكم من ملاحظات تطور هذا الشكل من الطاقة ، فإنه لا يمكن تمييزه عن ثابت كوني. في النسبية العامة ، الثابت الكوني متأصل في الفضاء ، لذلك عندما يتوسع الكون ويظهر فراغ جديد بين المجرات ، لا تنخفض كثافة الطاقة المظلمة ، على الرغم من انخفاض كثافة جميع الآخرين فقط! هذا هو السبب في أن توسع الكون يتسارع ليس فقط الآن - بل يستمر في ذلك على مدى السنوات الستة الماضية.

في نظرية المجال الكمي ، فإن الثابت الكوني يعادل الطاقة الصفرية للفراغ الكمومي ، أي أن التأثير المرصود قد يكون مرتبطًا بالمجالات الكمومية للكون والجاذبية ، على الرغم من أننا ما زلنا لا نستطيع تخيل كيفية وضعه في أرقام.

يجب على المرء أيضًا أن يدرك احتمال أن الطاقة المظلمة ليست ثابتة كونية: يمكن أن تكون أضعف (أو أقوى) في الماضي ، أو يمكن أن تصبح أضعف (أو أقوى) في المستقبل. ولكن مع تحسين طرق المراقبة ، أصبحت قيود هذه الاحتمالات صارمة للغاية.

من السهل جدًا تحديد معلمات التغيير في الطاقة المظلمة في الوقت - حتى الترتيب الأول - مع معلمة معادلة الحالة w. إذا كان w = -1.0 ، فسيظهر ثابت كوني تحت تصرفنا. إذا كان w = -1/3 ، لدينا انحناء الفضاء ؛ إذا كان w = -2/3 ، فإن حدود المجالات ، ومن حيث المبدأ ، يمكن أن تتغير المعلمة بشكل عام بشكل غريب في الوقت المناسب.

تكون الطاقة المظلمة ثابتة عندما تكون w _a = 0 ، w ₀ = -1 ، علاوة على ذلك ، إذا كانت القيمة w ₀أقل من قيمة ث _و ، يتم تضخيمه الطاقة الظلام مع مرور الوقت.

من الأسهل قبول أن قيمته ثابتة ، والآن تعطينا البيانات التي تم الحصول عليها القيمة w = -1.02 ± 0.08 ، والتي ، بشكل عام ، تشير إلى حد كبير إلى أن هذا هو في الواقع ثابت كوني ، أو الطاقة الكامنة في الفضاء أو الطاقة الصفرية للفراغ الكمومي الذي هو في حد ذاته أكبر من الصفر. إذا اتضح فجأة أن w <-1.0 ، سينهي الكون حياته بفجوة كبيرة - اعتبرنا هذا الخيار المدهش مؤخرًا.

المهمة الحالية لعلماء الفلك في القرن الحادي والعشرين (وربما من القرون التالية) هي معرفة ما إذا تم تحقيق المعادلة w = -1.0000 بدقة تعسفية وعدد متزايد من الأرقام العشرية. ومهمة المنظرين هي توضيح السؤال حول ما يعنيه هذا للكون ، أو كيفية حساب هذه القيمة بناءً على GR أو نظرية المجال الكمومي. حتى الآن ، تشير جميع البيانات إلى ثابت كوني - لكنك لا تعرفه مسبقًا. يمكن أن يتحول هذا إلى مجال عددي أو موتر أو ديناميكي ، مع سلوك أكثر تعقيدًا مما نراه حتى الآن. ولكن يمكن أن تتحول أيضًا إلى طاقة بسيطة متأصلة في الفضاء ، وفي غياب الملاحظات التي تدحض هذا الافتراض ، من الأفضل وضع هذا الخيار فقط.

شكرا لك على هذا السؤال الفاخر ، بيوس ، وعلى الفرصة التي كان علينا جميعا أن ندرسها أكثر قليلا من قوة ومصدر طاقة الكون ، وهو الأقل شهرة. لا يزال هناك الكثير لنتعلمه ، ولكن على الرغم من أن هذا الموضوع لا يزال أحد أعظم الألغاز ، إلا أن الكثير معروف عنه بالفعل! أرسل لنا أسئلتك للحصول على فرصة لقراءة إجابة سؤالك.

اسأل إيثان رقم 59: ما هي الطاقة المظلمة؟

الكون ، بالطبع ، يتوسع ، وهذا التوسع يتسارع. ولكن ما الذي نعرفه عن هذه العملية إلى جانب الاسم البسيط "الطاقة المظلمة"؟

More articles: