Geekly articles weekly

اسأل إيثان رقم 107: هل يرتبط التضخم بالطاقة المظلمة؟

إن التوسع الأسي للكون يحدث الآن ، وآخر يحدث منذ فترة طويلة. هل هي مرتبطة؟


لا يمكن شراء الطبيعة أو بيعها أو استعارتها أو نسخها. إنه لا يضاهى ، لا ينسى ، وقح ، عنصري ، مثل الأرض والجليد ، الماء ، النار والهواء ، الجوهر ، الروح النقية ، غير قابلة للتحلل إلى مكونات.
- جاي جريفيثس

كل أسبوع ، بينما نكتب عن المعجزات ، والمهام المثيرة للاهتمام والصعبة ، والاكتشافات الجديدة في طبيعة الكون ، لديك الفرصة لإرسال لي أسئلة واقتراحات بشأن العدد الأسبوعي من "اسأل إيثان". وعلى الرغم من أنه يبدو أن هناك المزيد والمزيد من الأسئلة في كل أسبوع ، لا تزال هناك أسئلة مثيرة للاهتمام. هذا الأسبوع ، يتم تكريم جون باشكوف (المرة الثانية بالفعل) ، الذي يسأل:
هل قوى التضخم والطاقة المظلمة مرتبطة بطريقة ما؟ سيكون الأمر غريبًا جدًا إذا كانت هناك قوتان مختلفتان تتسببان في تمدد الكون.

في حالة الكون ، يبدو الكثير مما يحدث غريبًا جدًا ، هذا أمر مؤكد.

الصورة

بادئ ذي بدء ، الكون يتوسع بشكل لا لبس فيه. ولكن لهذا لا تحتاج إلى أي قوة. إذا أخذنا كونًا مثل كوننا:

• يعمل تحت سيطرة النسبية العامة لأينشتاين ،
• مليئ بالمادة والإشعاع وأشياء أخرى ،
• متجانس تقريبًا في جميع الاتجاهات وفي جميع الأماكن ،

ستصل إلى استنتاج مضحك وغير مريح. وصل إليها أينشتاين لأول مرة في السنوات الأولى من وجود نظرية النسبية: مثل هذا الكون غير مستقر بشكل أساسي فيما يتعلق بانهيار الجاذبية.



أي أنه بدون تطبيق أي تصحيح سحري ، فإن الكون الخاص بك إما سيتمدد أو ينقص ، وهذه الاحتمالات متكافئة. ما لا تستطيع فعله هو أن تبقى دون تغيير.

بالطبع ، لم يتم عمل إدوين هابل بعد. لم نكن نعرف فقط أن الكون يتوسع ، ولم نكن نعرف حتى ما إذا كانت هذه الأجسام الحلزونية في السماء هي أجسام داخل مجرتنا درب التبانة ، أو ما إذا كانت مجرات منفصلة. بما أن أينشتاين ، مثل معظمه في ذلك الوقت ، أحب الكون الثابت أكثر ، فقد اخترع تصحيحًا مخصصًا خاصًا لاستقرار الكون: ثابت كوني.



فكرة النسبية لأينشتاين هي أن المعادلة لها وجهان: واحد مع المادة والطاقة ، والآخر مع المكان والزمان. تجادل بأن وجود المادة والطاقة يحددان انحناء وتطور الزمكان ، وكيف ينحني الزمكان ويتطور ، ويحدد مصير كل كمية من المادة والطاقة داخله.

إن إضافة ثابت كوني يعني "أن هناك نوعًا جديدًا من الطاقة الكامنة في الفضاء نفسه ، مما يتسبب في تمدد نسيج الكون بسرعة ثابتة". لذلك ، إذا كانت هناك قوة جاذبية تعمل ، بسبب وجود المادة والطاقة ، إلى انهيار الكون ، كان من الممكن أخذ هذا العمل الكوني المستمر لتوسيع الكون والحصول على الكون الساكن. كل ما كان مطلوبًا هو معادلة هاتين القيمتين بحيث يتم تدميرهما بشكل متبادل.



اتضح أن الكون يتوسع ، ولا يحتاج إلى أي ثابت كوني لمواجهة الجاذبية. في موقعه الأصلي ، بدأ الكون في التوسع بسرعة كبيرة ، الأمر الذي عكس قوة الجاذبية من جميع المواد والطاقة. بدلاً من الضغط ، كان الكون يتوسع ، وتباطأت سرعة التمدد.

سيكون من الطبيعي طرح سؤالين أصبحا منطقيين بعد هذا الاكتشاف في عشرينيات القرن العشرين:

1. ما الذي تسبب في مثل هذا التوسع السريع للكون في مراحله المبكرة؟
2. ماذا سيكون مصير الكون؟ هل ستتوسع إلى الأبد ، هل سيعود توسعها مرة أخرى إلى الانكماش ، هل سيكون في حالة حدودية ، أم سيحدث شيء آخر؟



بقي السؤال الأول دون إجابة لأكثر من 50 عامًا ، على الرغم من المثير للاهتمام أن ويليم دي سيتر اقترح على الفور تقريبًا أن التوسع يرجع إلى الثابت الكوني.



أخيرًا ، في أوائل الثمانينيات ، ظهرت نظرية التضخم الكوني ، مما يشير إلى وجود مرحلة مبكرة من التوسع الأسي ، عندما كان الكون يسيطر عليه شيء يذكرنا جدًا بالثابت الكوني.

لكن هذا لا يمكن أن يكون ثابتًا كونيًا حقيقيًا ، يُعرف أيضًا باسم طاقة الفراغ ، لأن الكون لم يبق في هذه الحالة إلى الأبد. يمكن أن يكون الكون في حالة فراغ كاذب ، عندما يكون لديه بعض الطاقة الكامنة في الفضاء ، والتي ماتت بعد ذلك إلى حالة منخفضة الطاقة ، مما أدى إلى ظهور المادة والإشعاع: الانفجار الكبير الساخن!



لقد قام التضخم بتنبؤات أخرى ، تم تأكيد أربعة منها بالفعل ، ونتيجة لذلك نقبل وجود مثل هذه المرحلة المبكرة من الكون.

بالانتقال إلى السؤال الثاني ، بخصوص مصير الكون ، نجد شيئًا غريبًا. توقعنا أن نجد نوعًا من السباق بين التوسع السريع الأولي وقوة الجاذبية التي تؤثر على جميع المواد والإشعاع ، وبدلاً من ذلك وجدنا بشكل غير متوقع شكلًا جديدًا من الطاقة يسمى الظلام. وماذا تعتقد؟ هذه الطاقة المظلمة ، كما نفهمها اليوم ، تبدو تمامًا مثل ثابت كوني.



ولكن كان هناك نوعان من التوسع الأسي ، في وقت سابق ولاحقًا ، يختلفان اختلافًا كبيرًا في التفاصيل.

• استمرت الفترة المبكرة من التضخم في الكون إلى أجل غير مسمى - ربما من 10 إلى 33 ثانية ، وربما إلى ما لا نهاية تقريبًا ، وقد سيطرت الطاقة المظلمة اليوم على ستة مليارات سنة.
• كانت الفترة المبكرة للتضخم في الكون سريعة للغاية ، حيث امتد التوسع الكوني بسرعة 10 50 مرة أسرع من اليوم . اليوم ، على العكس من ذلك ، تمثل الطاقة المظلمة 70٪ من معدل التوسع.
• تفاعلت الحالة المبكرة بطريقة ما مع المادة والإشعاع. في طاقات عالية بما فيه الكفاية ، يجب أن يوجد "جزء من التضخم" إذا لم تكن نظرية المجال الكمي لنا. الطاقة المظلمة في وقت متأخر لا تحتوي على أي نوع من التفاعل.

ولكن هناك أوجه تشابه.



كلاهما لهما نفس معادلة الحالة ، أي العلاقة بين مقياس الكون والوقت.

كلاهما لهما نفس العلاقة بين كثافة الطاقة والضغط في الموارد الوراثية.

كلاهما يؤدي إلى توسع أسي للكون.



ولكن هل هي متصلة؟ من الصعب جدا القول. لأننا بالطبع لا نفهمهم جيدًا! أنا شخصياً ، أفكر في التضخم ، أحب أن أتخيل زجاجة نصف لتر من الصودا ممتلئة. أتخيل أن قطرة زيت تطفو على سطح السائل داخل الزجاجة. هذه الحالة من الطاقة العالية تشبه الكون أثناء التضخم.

ثم يحدث شيء يتسبب في انسكاب السائل خارج الزجاجة. يتم إرسال النفط إلى القاع ، في حالة منخفضة الطاقة.





ولكن إذا لم يصل الانخفاض إلى القاع - فلن يبقى عند الصفر ، ولكن عند بعض العلامات النهائية (مثل حقل هيجز أثناء كسر التماثل) - يمكن أن يسبب ظهور الطاقة المظلمة. تُعرف النماذج التي تربط هذه الحقول ، وحقل التضخم وحقل الطاقة المظلمة بالجوهر .

من السهل جدًا إنشاء نموذج مثالي للعمل. تكمن المشكلة في أنه من السهل إنشاء نموذجين منفصلين للعمل - أحدهما للتضخم والآخر للطاقة المظلمة. لدينا ظاهرتان جديدتان تتطلبان إدخال "معلمتين حرتين" على الأقل حتى تعمل النظرية. يمكن توصيلها ، لا يمكنك الاتصال ، ولكن لا يمكن تمييز هذه النماذج عن بعضها البعض.



حتى الآن ، تمكنا فقط من استبعاد فئات معينة من النماذج التي لا يتطابق فيها معدل التوسع في المراحل المبكرة أو المتأخرة مع الملاحظات. لكن الملاحظات تتوافق مع حقيقة أن التضخم في حد ذاته ، والطاقة المظلمة تأتي من مصدر مختلف تمامًا. لا أحب التحدث عن المعرفة التي تلقيناها بأن التضخم يحدث في طاقات من أجل 10 15الطاقة الكهربية والطاقة المظلمة - بطاقة تصل إلى 10 - 3 فولت ، ثم اشرح لنا "لا نعرف ما إذا كانت متصلة" - ولكن هكذا هي.

لسوء الحظ ، حتى مع كل التجارب المقترحة - James Webb و WFIRST و LISA و ILC - لا نتوقع تلقي إجابة على هذا السؤال في المستقبل القريب. يبقى أن نأمل في حدوث اختراق نظري. لقد عملت بنفسي مباشرة في هذه المهمة ، ويمكنني القول أنني لا أعرف متى يمكن أن يحدث.

Source: https://habr.com/ru/post/ar399443/

More articles:


All Articles