Geekly articles weekly

Tanyakan Ethan No. 107: Apakah Inflasi Terkait dengan Energi Gelap?

Ekspansi alam semesta yang eksponensial sedang terjadi sekarang, dan yang lain telah terjadi untuk waktu yang sangat lama. Apakah mereka terkait?


Alam tidak dapat dibeli atau dijual, dipinjam atau disalin. Itu tak tertandingi, tak terlupakan, tak tahu malu, unsur seperti bumi dan es, air, api dan udara, intisari, roh murni, tidak terurai menjadi komponen.
- Jay Griffiths

Setiap minggu, sementara kami menulis tentang mukjizat, tugas yang menarik dan sulit, dan penemuan baru di alam Semesta, Anda memiliki kesempatan untuk mengirim saya pertanyaan dan saran untuk edisi mingguan "Tanya Ethan." Dan meskipun tampaknya ada semakin banyak pertanyaan di setiap minggu, yang menarik masih ditemui. Minggu ini, kehormatan diberikan kepada John Pashkov (sudah kedua kalinya), yang bertanya:
Apakah kekuatan inflasi dan energi gelap terkait dalam beberapa cara? Akan sangat aneh jika ada dua kekuatan berbeda yang menyebabkan perluasan alam semesta.

Dalam kasus Semesta, banyak dari apa yang terjadi tampak sangat aneh, itu sudah pasti.

gambar

Pertama-tama, Semesta berkembang dengan jelas. Tetapi untuk ini dia tidak membutuhkan kekuatan. Jika kita mengambil alam semesta seperti milik kita, yang:

• Bekerja di bawah kendali relativitas umum Einstein,
• Diisi dengan materi, radiasi, dan hal-hal lain,
• Kira-kira homogen di segala arah dan di semua tempat,

Anda akan sampai pada kesimpulan yang lucu dan tidak nyaman. Einstein pertama kali mencapainya pada tahun-tahun pertama keberadaan teori relativitas: alam semesta semacam itu pada dasarnya tidak stabil sehubungan dengan keruntuhan gravitasi.



Artinya, tanpa menerapkan koreksi magis, Alam Semesta Anda akan melebar atau menurun, dan kemungkinan ini setara. Yang tidak bisa dia lakukan adalah tetap tidak berubah.

Tentu saja, pekerjaan Edwin Hubble belum selesai. Kita tidak hanya tidak tahu bahwa alam semesta mengembang, kita bahkan tidak tahu apakah benda-benda spiral di langit ini adalah benda-benda di dalam Bimasakti kita, atau apakah ini adalah galaksi yang terpisah. Karena Einstein, seperti kebanyakan pada waktu itu, lebih menyukai Alam Semesta statis, ia menemukan koreksi ad hoc khusus untuk stabilitas Semesta: konstanta kosmologis.



Gagasan relativitas Einstein adalah bahwa persamaan memiliki dua sisi: satu dengan materi dan energi, dan satu dengan ruang dan waktu. Dia berpendapat bahwa keberadaan materi dan energi menentukan kelengkungan dan evolusi ruang-waktu, dan bagaimana ruang-waktu melengkung dan berevolusi, menentukan nasib setiap kuantum materi dan energi di dalamnya.

Penambahan konstanta kosmologis berarti "ada jenis energi baru yang melekat dalam ruang itu sendiri, menyebabkan jalinan alam semesta mengembang dengan kecepatan konstan." Karena itu, jika ada gaya gravitasi yang bekerja, karena keberadaan materi dan energi, hingga runtuhnya Semesta, adalah mungkin untuk mengambil konstanta kosmologis ini bekerja untuk memperluas Semesta dan mendapatkan Semesta statis. Yang diperlukan hanyalah menyamakan kedua nilai ini sehingga saling menghancurkan.



Ternyata Alam Semesta mengembang, dan tidak memerlukan konstanta kosmologis untuk melawan gravitasi. Dalam posisi aslinya, Semesta mulai mengembang dengan sangat cepat, yang menangkal gaya gravitasi dari semua materi dan energi. Alih-alih kompresi, Semesta berkembang, dan kecepatan ekspansi melambat.

Adalah wajar untuk mengajukan dua pertanyaan yang menjadi logis setelah penemuan ini pada tahun 1920-an:

1. Apa yang menyebabkan perluasan Semesta yang begitu cepat pada tahap-tahap awalnya?
2. Apa nasib alam semesta? Akankah ia berkembang selamanya, akankah perluasannya kembali menjadi runtuh, akankah ia berada dalam keadaan batas, atau akankah sesuatu yang lain terjadi?



Pertanyaan pertama tetap tidak terjawab selama lebih dari 50 tahun, meskipun, yang menarik, Willem de Sitter segera menyarankan bahwa ekspansi ini disebabkan oleh konstanta kosmologis.



Akhirnya, pada awal 1980-an, teori inflasi kosmologis muncul, menunjukkan adanya fase awal ekspansi eksponensial, ketika alam semesta didominasi oleh sesuatu yang sangat mengingatkan pada konstanta kosmologis.

Tetapi ini tidak mungkin konstanta kosmologis yang nyata, juga dikenal sebagai energi vakum, karena Semesta tidak tetap dalam keadaan ini selamanya. Semesta bisa berada dalam kondisi vakum palsu, ketika ia memiliki beberapa energi yang melekat di ruang angkasa, yang kemudian mati ke keadaan energi rendah, yang menyebabkan munculnya materi dan radiasi: Big Bang yang panas!



Inflasi telah membuat prediksi lain, empat di antaranya telah dikonfirmasi, sebagai akibatnya kita menerima keberadaan fase awal alam semesta.

Beralih ke pertanyaan kedua, mengenai nasib Semesta, kita menemukan sesuatu yang aneh. Kami berharap menemukan semacam perlombaan antara ekspansi cepat awal dan gaya gravitasi yang memengaruhi semua materi dan radiasi, dan sebaliknya, kami tiba-tiba menemukan bentuk energi baru yang disebut gelap. Dan apa yang akan Anda pikirkan? Energi gelap ini, seperti yang kita pahami hari ini, terlihat persis seperti konstanta kosmologis.



Tetapi ada dua jenis ekspansi eksponensial, sebelumnya dan kemudian, yang sangat bervariasi dalam detailnya.

• Periode awal inflasi di Semesta berlangsung tanpa batas waktu - mungkin 10 -33 detik, mungkin hampir tanpa batas waktu - dan energi gelap hari ini telah mendominasi selama enam miliar tahun.
• Periode awal inflasi di Semesta sangat cepat, ekspansi kosmologis berjalan 10 50 kali lebih cepat dari hari ini . Hari ini, sebaliknya, energi gelap menyumbang 70% dari tingkat ekspansi.
• Keadaan awal yang entah bagaimana berinteraksi dengan materi dan radiasi. Pada energi yang cukup tinggi, "partikel inflasi" tertentu harus ada jika teori medan kuantum tidak membohongi kita. Energi gelap akhir-akhir ini tidak mengandung interaksi apa pun.

Namun ada kesamaan.



Keduanya memiliki persamaan keadaan yang sama, yaitu hubungan antara skala alam semesta dan waktu.

Keduanya memiliki hubungan yang sama antara kepadatan energi dan tekanan dalam GR.

Keduanya mengarah pada ekspansi alam semesta secara eksponensial.



Tetapi apakah mereka terhubung? Sangat, sangat sulit untuk dikatakan. Karena tentu saja kita tidak memahaminya dengan cukup baik! Secara pribadi, memikirkan inflasi, saya suka membayangkan sebotol soda dua liter setengah penuh. Saya membayangkan setetes minyak mengapung di permukaan cairan di dalam botol. Keadaan energi tinggi ini menyerupai alam semesta selama inflasi.

Kemudian terjadi sesuatu yang menyebabkan cairan tumpah dari botol. Minyak dikirim ke dasar, dalam keadaan rendah energi.





Tetapi jika drop tidak mencapai bagian bawah - itu akan tetap tidak pada nol, tetapi pada beberapa tanda akhir (seperti bidang Higgs selama pemecahan simetri) - itu dapat menyebabkan munculnya energi gelap. Model-model yang menghubungkan bidang-bidang ini, bidang inflasi dan medan energi gelap dikenal sebagai intisari .

Cukup mudah untuk membuat model klasik yang berfungsi. Masalahnya adalah mudah membuat dua model kerja yang terpisah - satu untuk inflasi dan satu untuk energi gelap. Kami memiliki dua fenomena baru yang memerlukan pengenalan setidaknya dua "parameter bebas" agar teori dapat bekerja. Mereka dapat dihubungkan, Anda tidak dapat terhubung, tetapi model ini tidak dapat dibedakan satu sama lain.



Sampai saat ini, kami hanya mampu mengecualikan kelas model tertentu di mana tingkat ekspansi pada tahap awal atau akhir tidak sesuai dengan pengamatan. Tetapi pengamatan konsisten dengan fakta bahwa inflasi itu sendiri, dan energi gelap berasal dari sumber yang sama sekali berbeda. Saya benar-benar tidak suka berbicara tentang pengetahuan yang kami terima bahwa inflasi terjadi pada energi pada urutan 10 15GeV, dan energi gelap - dengan energi sekitar 10 -3 eV, dan kemudian jelaskan bahwa "kami tidak tahu apakah mereka terhubung" - tetapi begitulah adanya.

Sayangnya, bahkan dengan semua percobaan yang diusulkan - James Webb, WFIRST, LISA dan ILC - kami tidak berharap untuk menerima jawaban untuk pertanyaan ini dalam waktu dekat. Masih berharap untuk terobosan teoretis. Saya sendiri mengerjakan langsung tugas ini, dan saya bisa mengatakan bahwa saya tidak tahu kapan itu bisa terjadi.

Source: https://habr.com/ru/post/id399443/

More articles:


All Articles