The Early Universe 2. Kosmologi Inflasi: Apakah Alam Semesta Kita Bagian dari Multiverse? Bagian 2

Di situs kuliah gratis, MIT OpenCourseWare memposting kuliah tentang kosmologi Alan Gus, salah satu pencipta model inflasi alam semesta.

Kami menawarkan Anda terjemahan dari kuliah kedua: "Kosmologi Inflasi. Apakah alam semesta kita adalah bagian dari multiverse? Bagian 2 ".




Lanskap inflasi dan teori string
Saya ingin memulai dengan mengulangi secara singkat apa yang kita diskusikan terakhir kali sebagai bagian dari kuliah peninjauan yang akan kita selesaikan hari ini. Ringkasan dari kuliah terakhir diberikan pada lima slide. Kami mulai dengan membahas Big Bang standar, yang saya maksud adalah Big Bang tanpa inflasi. Saya perhatikan bahwa sebenarnya teori ini hanya menggambarkan konsekuensi dari ledakan. Ini dimulai dengan deskripsi tentang alam semesta sebagai substansi partikel yang panas dan padat yang kurang lebih mengisi semua ruang yang tersedia dan mengembang.


Inflasi kosmik adalah prekuel dari Big Bang. Dia menggambarkan bagaimana gravitasi menjijikkan, yang dalam teori relativitas umum mungkin merupakan hasil dari tekanan negatif, membawa sebagian kecil dari alam semesta awal ke dalam proses ekspansi eksponensial raksasa. Alam semesta kita yang terlihat adalah hasil dari peristiwa semacam itu.

Energi total dari situs semacam itu bisa sangat kecil dan bahkan bisa menjadi nol. Ini dimungkinkan karena kenyataan bahwa medan gravitasi yang mengisi ruang memiliki kontribusi negatif terhadap energi. Sejauh yang dapat kita nilai, di dunia nyata kita, kontribusi positif dan negatif kira-kira sama satu sama lain. Mereka sepenuhnya dapat saling kompensasi. Dengan demikian, total energi dapat menjadi nol, yang memungkinkan Anda untuk menciptakan alam semesta yang sangat luas, mulai dari nol, atau nyaris tanpa apa-apa.


Poin selanjutnya adalah bukti inflasi. Mengapa kita berpikir ada kemungkinan besar bahwa alam semesta kita telah mengalami inflasi? Saya telah menunjukkan tiga alasan. Pertama, inflasi dapat menjelaskan keseragaman alam semesta dalam skala besar. Homogenitas berskala besar dari alam semesta paling menonjol pada radiasi latar gelombang mikro kosmik. Kita melihat bahwa itu homogen dengan akurasi seratus ribu. Jika kita membuat penyesuaian untuk gerakan Bumi, maka intensitasnya di langit sama dengan akurasi seratus ribu, terlepas dari arah mana pun.

Kedua, inflasi dapat menjelaskan fakta luar biasa dari nilai Ω, di mana Ω adalah kepadatan massa sebenarnya dari alam semesta dibagi dengan kepadatan massa kritis, yaitu kepadatan yang membuat alam semesta benar-benar datar. Kita tahu bahwa pada detik pertama setelah Big Bang, rasio mereka sama dengan persatuan dengan akurasi sekitar 15 desimal. Sebelum inflasi, kami sama sekali tidak memiliki penjelasan untuk fakta ini. Namun, inflasi membawa Ω lebih dekat ke persatuan dan memberi kita penjelasan mengapa Ω pada awal Big Bang begitu dekat dengan persatuan.

Bahkan, inflasi membuat prediksi. Kami berasumsi bahwa jika teori inflasi benar, maka Ω harus tetap sama dengan 1. Ω diukur, dan nilai 1,0010 ± 0,0065 diperoleh, yang, menurut pendapat saya, adalah hasil yang luar biasa. Akhirnya, inflasi memberikan penjelasan tentang heterogenitas yang kita lihat di alam semesta. Dia menjelaskan mereka sebagai fluktuasi kuantum yang terjadi selama inflasi. Ketika inflasi berakhir, fluktuasi kuantum menyebabkan inflasi di beberapa tempat berlangsung sedikit lebih lama daripada di tempat lain. Jadi heterogenitas ini muncul.

Saat ini, kami dapat mengukur heterogenitas ini dengan akurasi tinggi. Heterogenitas, tentu saja, sangat besar pada tingkat galaksi, di sini mereka jelas, tetapi mereka sulit untuk dikaitkan dengan alam semesta awal. Oleh karena itu, kita dapat membuat perbandingan paling akurat antara apa yang kita amati dan teori-teori alam semesta awal dengan bantuan penelitian menyeluruh tentang radiasi latar kosmik, yang tidak sepenuhnya seragam dan memiliki fluktuasi intensitas yang kecil. Fluktuasi ini berada pada level seratus ribu, dan saat ini kita dapat mengamatinya.


Inflasi memberikan perkiraan yang jelas tentang spektrum fluktuasi ini, bagaimana intensitasnya bervariasi tergantung pada panjang gelombang. Terakhir kali saya menunjukkan grafik dengan data satelit Planck. Korespondensi antara prediksi dan teori sangat mencolok. Kami akan kembali ke ini di dekat akhir kursus.


Akhirnya, dalam kuliah sebelumnya, saya mulai berbicara tentang kemungkinan konsekuensi inflasi, seperti multiverse. Bahwa alam semesta kita dapat tertanam dalam entitas yang jauh lebih besar yang terdiri dari banyak alam semesta, yang kita sebut multiverse. Poin kuncinya adalah bahwa sebagian besar model cenderung mengarah pada inflasi abadi. Begitu inflasi dimulai, inflasi tidak pernah berhenti.

Alasan untuk ini adalah bahwa materi menjijikkan yang bermetastasis gravitasi, yang menyebabkan inflasi, meluruh, tetapi pada saat yang sama ia secara eksponensial mengembang. Untuk model tipikal, ekspansi eksponensial jauh lebih cepat daripada kerusakan. Jadi, terlepas dari kenyataan bahwa materi yang tidak stabil ini meluruh, volume totalnya tidak benar-benar berkurang, tetapi secara eksponensial meningkat seiring waktu.

Namun, peluruhan materi terjadi, dan di mana pun peluruhan itu terjadi, apa yang kita sebut alam semesta saku terbentuk. Kita hidup di salah satu alam semesta saku ini. Jumlah alam semesta saku tumbuh secara eksponensial seiring dengan waktu, ketika seluruh sistem tumbuh, yang akan berlanjut, sejauh yang bisa kita nilai, selamanya. Ini adalah gambaran multiverse yang menyebabkan inflasi.


Di akhir kuliah, saya berbicara tentang masalah yang sangat penting bagi pemahaman modern kita tentang fisika dan kosmologi. Ini adalah penemuan energi gelap. Sekitar tahun 1998, ditemukan bahwa perluasan alam semesta tidak melambat di bawah pengaruh gravitasi, seperti yang diperkirakan, tetapi lebih cepat. Alam semesta berkembang lebih cepat dan lebih cepat.

Ini menunjukkan bahwa ruang saat ini dipenuhi dengan materi yang menjijikkan secara gravitasi, yang kita sebut energi gelap. Penjelasan paling sederhana untuk energi gelap hanyalah energi ruang hampa, energi ruang kosong. Ruang memiliki kepadatan energi yang memiliki sifat tepat yang kita amati. Oleh karena itu, tampaknya wajar untuk menarik hubungan antara energi gelap dan energi vakum.

Energi vakum, pada awalnya, mungkin tampak aneh. Jika ruang hampa kosong, mengapa harus memiliki kepadatan energi? Tetapi dalam teori medan kuantum ini tidak mengejutkan, karena dalam teori medan kuantum vakum sebenarnya tidak kosong. Dalam teori medan kuantum tidak ada yang namanya kekosongan nyata. Sebaliknya, fluktuasi medan kuantum konstan terjadi dalam ruang hampa. Dalam model standar modern fisika partikel, bahkan ada bidang yang disebut bidang Higgs, yang, selain fluktuasi, memiliki nilai rata-rata nol dalam ruang hampa.

Dengan demikian, vakum adalah kondisi yang sangat kompleks. Ini membuatnya menjadi hampa udara yang berada dalam keadaan kepadatan energi serendah mungkin, tetapi kerapatan ini tidak harus nol dan tampaknya tidak ada alasan mengapa itu harus nol. Oleh karena itu, tidak ada masalah menjelaskan fakta bahwa ruang hampa udara mungkin memiliki kepadatan energi yang tidak nol. Masalah muncul ketika kita mencoba memahami besarnya energi vakum ini. Jika ruang hampa memiliki kerapatan energi, maka, menurut asumsi kami, itu harus jauh lebih besar daripada yang kita amati dalam bentuk percepatan ekspansi alam semesta.

Urutan magnitudo tipikal untuk energi vakum dalam fisika partikel adalah sekitar 120 orde magnitudo lebih besar dari jumlah yang diperoleh menurut percepatan ekspansi alam semesta yang diamati. Ini masalah besar. Kami mulai membahas solusi yang mungkin untuk masalah ini. Ini hanya solusi yang mungkin, tidak ada yang mengatakan itu benar. Keputusan ini didasarkan pada teori string dan, khususnya, pada ide yang disebut lanskap teori string.

Kebanyakan ahli teori string percaya bahwa teori string tidak memiliki kevakuman yang unik. Sebagai gantinya, ada angka kolosal, sekitar ^10.500
berbagai negara metastabil, yang, terlepas dari kenyataan bahwa mereka metastabil, berumur panjang, berumur panjang dibandingkan dengan usia alam semesta kita. Dengan demikian, salah satu dari ^10.500 negara yang berbeda ini dapat berfungsi sebagai ruang hampa bagi salah satu alam semesta saku.

Terlebih lagi, setiap keadaan hampa dari bentang alam dapat diwujudkan dalam semacam jagat raya, sehingga dalam kenyataannya mewujudkan semua kemungkinan yang muncul dalam teori string. Setiap jenis vakum memiliki kerapatan energi sendiri, karena kontribusi positif dan negatif muncul dalam teori medan kuantum.

Energi vakum dari keadaan khas dapat berupa positif atau negatif. Untuk ^10.500 vakum yang berbeda ini, kisaran kepadatan energi bervariasi dari -10 ¹²⁰ hingga +10 ¹²⁰ nilai yang diamati. Nilai yang diamati berada dalam kisaran ini, tetapi merupakan bagian yang sangat kecil dari nilai yang mungkin.

SISWA: Rentang dari -10 ¹²⁰ hingga +10 ¹²⁰ dipilih hanya karena kami melihat perbedaan 120 pesanan, atau adakah alasan lain?

GURU: Ketika kita berbicara tentang perbedaan 120 urutan besarnya, pernyataan yang lebih akurat adalah bahwa perkiraan kisaran energi tipikal adalah 10 ¹²⁰ kali nilai yang diamati. Bahkan, 10 ¹²⁰ hanya akurat dalam beberapa urutan besarnya, 10 ¹²³ mungkin angka yang sedikit lebih akurat. Tetapi untuk tujuan kita ini sudah cukup.

SISWA: Pertanyaan umum tentang sifat-sifat inflasi. Kami percaya bahwa gravitasi yang menarik mengendalikan pergerakan objek di ruang angkasa. Lalu mengapa kita berpikir bahwa gravitasi tolakan mengontrol perluasan ruang itu sendiri?

GURU: Dia berperilaku berbeda. Gravitasi menjijikkan yang muncul dalam teori relativitas umum bukan hanya gravitasi biasa dengan tanda yang berlawanan. Jika kita memiliki dua tubuh, gravitasi biasa membuat mereka menarik satu sama lain dengan kekuatan yang sebanding dengan massa benda-benda ini. Gravitasi tolakan adalah efek yang disebabkan oleh tekanan negatif di ruang di antara mereka. Karena itu, jika ada dua tubuh, mereka akan mulai berakselerasi satu sama lain dengan jumlah yang benar-benar independen dari massa mereka.

Gravitasi menjijikkan tidak diciptakan oleh massa. Kekuatan ini sangat berbeda, jadi kita tidak bisa membandingkannya. Bagaimanapun, ketika semuanya bergerak menjauh satu sama lain, itu adalah pertanyaan dari sudut pandang apakah gerakan seperti itu dianggap sebagai perluasan ruang atau dianggap gerakan benda melalui ruang. Dalam teori relativitas tidak ada cara untuk menusukkan jarum ke ruang angkasa, jepit dengan jepit dan katakan bahwa itu tidak bergerak. Jadi kita tidak bisa mengatakan apakah ruang bergerak atau tidak.

Dalam kosmologi, gambar biasanya lebih sederhana, di mana ruang mengembang dengan materi, dan kita biasanya akan menggunakan gambar seperti itu. Ini memberikan deskripsi yang lebih sederhana tentang apa yang terjadi. Pertanyaan yang bagus

SISWA: Mengapa energi di alam semesta awal tampaknya mendekati nol? Apakah ada model teoritis yang dapat menjelaskan atau memprediksi bahwa itu persis nol?

GURU: Ya, ada teori seperti itu. Ini terjadi dalam kasus alam semesta tertutup. Sekalipun alam semesta hampir datar, ia masih bisa tertutup. Jika ditutup, ia harus benar-benar nol energi.

SISWA: Latar belakang gelombang mikro kosmik adalah sama di semua arah. Ini menyiratkan bahwa prinsip kosmologis berlaku untuk seluruh alam semesta. Mungkinkah dalam kenyataannya, dalam skala yang sangat besar, alam semesta heterogen, bahwa dalam kenyataannya seolah-olah jerawatan, hanya bintik-bintik yang sangat besar? Apa yang sebenarnya kita berada di tempat seperti itu, dan apakah itu berbeda dari tempat-tempat lain yang sangat jauh?

GURU: Tentu saja bisa, jika gambar multiverse benar. Dia memprediksi persis ini. Alam semesta saku lain dapat dianggap sebagai tempat lain, menggunakan terminologi Anda, dan mereka akan sangat berbeda dari yang kami amati.

Dengan demikian, inflasi mengubah sikap terhadap masalah ini. Sebelumnya, sebelum inflasi, homogenitas alam semesta tidak memiliki penjelasan, jadi itu dalil. Tidak ada yang mendalilkan bahwa alam semesta ini homogen pada skala tertentu. Jika dalil dibuat, itu hanya menegaskan bahwa alam semesta adalah homogen, dan dalil semacam itu digunakan.

Tetapi sekarang, ketika kita mempertimbangkan bahwa keseragaman alam semesta disebabkan oleh proses dinamis, inflasi, maka wajar untuk mengajukan pertanyaan, berapa ukuran keseragaman yang diciptakan inflasi. Ini, tentu saja, adalah ukuran yang jauh lebih besar daripada yang bisa kita amati. Jadi, kami benar-benar tidak bermaksud melihat heterogenitas yang disebabkan oleh berbagai fokus inflasi. Tetapi model inflasi membuatnya sangat masuk akal bahwa kita akan melihatnya jika kita bisa melihat cukup jauh.

SISWA: Jika alam semesta mengembang, dan kita juga mengembang, lalu bagaimana kita bisa mengamati perubahan jarak?

GURU: Pertanyaan yang sangat bagus. Tampaknya jika alam semesta mengembang, maka semuanya akan mengembang. Dan jika semuanya mengembang, lalu mengukur sesuatu dengan penggaris, kita mendapatkan panjang yang sama. Bagaimana kita melihat bahwa semuanya berkembang? Jawaban atas pertanyaan ini adalah bahwa memperluas alam semesta tidak berarti bahwa segala sesuatu berkembang. Ketika mereka mengatakan bahwa alam semesta mengembang, artinya galaksi semakin terpisah, tetapi masing-masing atom tidak bertambah.

Panjang penggaris, ditentukan oleh jumlah atom dan ukurannya, tidak bertambah dengan alam semesta. Saat ini, ekspansi sebagian disebabkan oleh gravitasi tolakan, yang menyebabkan alam semesta mengembang dengan cepat. Tetapi pada dasarnya ekspansi sekarang hanyalah sisa kecepatan dari Big Bang. Dalam hal ini, substansi hanya bergerak di ruang angkasa, dan gerakan ini tidak menyebabkan atom menjadi lebih besar.

SISWA: Apa masa depan alam semesta kita? Apakah akan berkembang tanpa batas, atau akan berhenti pada titik tertentu?

GURU: Seperti yang mungkin Anda duga, tidak ada yang tahu. Tetapi model yang saya bicarakan memberikan jawaban yang pasti pada tingkat semesta saku kita dan pada tingkat seluruh multiverse. Pada tingkat alam semesta saku kita, alam semesta kita akan menipis. Kehidupan pada akhirnya akan menjadi tidak mungkin, karena kepadatan materi akan menjadi terlalu kecil.

Mungkin alam semesta akan membusuk. Vakum kami mungkin tidak sepenuhnya stabil. Sangat sedikit hal yang stabil dalam teori string jika teori string adalah teori yang benar. Tetapi bahkan jika vakum meluruh, itu akan berkembang lebih cepat daripada meluruh. Jadi pembusukan akan menyebabkan lubang di alam semesta kita. Ini akan terlihat seperti keju Swiss. Tetapi alam semesta secara keseluruhan hanya akan berkembang secara eksponensial, sejauh yang dapat kita nilai, selamanya.

Multiverse adalah objek yang lebih menarik. Multiverse, seperti yang saya katakan, akan terus-menerus menciptakan alam semesta saku baru. Multiverse akan hidup selamanya, bahkan jika setiap jagat raya di multiverse terbentuk, dan akhirnya mati, mati karena penipisan total dan berubah menjadi tidak ada apa-apa.

SISWA: Selain pertanyaan sebelumnya. Apakah Anda mengizinkan kemungkinan proses siklik? Yaitu alam semesta mengembang, mencapai maksimumnya, kemudian mulai menyusut, runtuh, dan kemudian mulai mengembang lagi, dan semuanya berulang?

GURU: Kesempatan seperti itu tentu ada, dan ada orang yang menganggap ini sangat serius. Saya tidak melihat bukti apa pun tentang ini. Selain itu, belum pernah dan masih belum ada teori rebound yang masuk akal, yang seharusnya menjadi bagian dari teori ini.

SISWA: Apa, terlepas dari konstanta kosmologis, apakah vakuum berbeda?

GURU: Mereka dapat bervariasi dalam banyak hal. Mereka secara fundamental berbeda satu sama lain dalam hal bagaimana struktur internal mereka diatur dalam ruang. Jika Anda tidak masuk ke detail yang saya sendiri mungkin tidak sepenuhnya mengerti, maka teori string mengklaim bahwa ruang memiliki sembilan dimensi, dan bukan tiga yang kita amati. Sembilan dimensi menjadi tiga karena fakta bahwa dimensi tambahan dipelintir menjadi nodul kecil yang terlalu pendek untuk dilihat.

Namun, ada banyak cara untuk memutar dimensi tambahan ini, dan ini mengarah pada sejumlah besar kemungkinan vakuum. Pengukuran tambahan dapat diputar dengan berbagai cara. Ini berarti bahwa fisika energi rendah dalam vakum ini bisa sangat berbeda. Hampir semuanya dapat berbeda, bahkan dimensi ruang dapat berbeda, karena Anda dapat memiliki jumlah dimensi bengkok yang berbeda.

Himpunan partikel bisa sangat berbeda, karena apa yang kita anggap sebagai partikel sebenarnya hanyalah fluktuasi dari ruang hampa.Jika Anda memiliki struktur vakum yang berbeda, jenis partikel yang ada di dalamnya bisa sangat berbeda. Jadi, fisika di dalam alam semesta kantung lain bisa sangat berbeda dari apa yang kita amati, meskipun kita berasumsi bahwa, pada akhirnya, hukum fisika yang sama berlaku di mana-mana.

SISWA: Jika awalnya di wilayah yang memulai ekspansi inflasi hanya ada beberapa partikel, lalu ketika wilayah ini berubah menjadi alam semesta yang sangat besar, apakah ia juga hanya memiliki beberapa partikel?

GURU: Jumlah partikel mungkin tidak disimpan. Ketika salah satu daerah secara eksponensial mengembang selama inflasi, energi di dalamnya tidak dijelaskan dengan baik dalam bahasa partikel. Ini dijelaskan dalam hal bidang. Bidang terkadang berperilaku seperti partikel, tetapi tidak selalu. Pada prinsipnya, ada deskripsi dalam hal partikel, tetapi tidak sejelas deskripsi dalam hal bidang.

Dengan demikian, ada energi yang terdiri di berbagai bidang, sementara wilayah itu tumbuh. Energi yang tersimpan di ladang-ladang ini meningkat ketika wilayah itu mengembang. Kerapatan energi tetap sekitar konstan. Ini tampaknya merupakan pelanggaran hukum konservasi energi, tetapi seperti yang kami katakan, wilayah yang diperluas diisi dengan medan gravitasi, yang menempati volume yang lebih besar dan lebih besar, dan medan gravitasi memiliki kepadatan energi negatif. Dengan demikian, total energi yang harus dilestarikan tetap sangat kecil dan mungkin nol. Selain itu, wilayah ini dapat tumbuh tanpa batasan, masih memiliki energi total yang sangat kecil atau nol.

Kemudian, pada akhirnya, wilayah itu bubar. Ketika meluruh, partikel baru lahir, sejumlah besar partikel baru. Ini adalah substansi dari mana kita dibuat. Ada jauh lebih banyak partikel baru daripada jumlah partikel yang ada di wilayah tersebut ketika inflasi dimulai.

SISWA: Jadi semua yang terjadi selama inflasi ditentukan oleh hukum kekekalan energi?

GURU: Tampaknya bagi saya ini berlebihan, karena jika tidak ada yang terjadi, maka energinya juga akan dihemat. Karena itu, untuk menggambarkan perkembangan alam semesta, Anda membutuhkan lebih dari sekedar konservasi energi.


Prinsip antropik.
Mari kita lanjutkan. Saya menetap di lanskap teori string dan bagaimana hal itu membentuk semua kemungkinan vakum ini. Teori string memiliki ^10.500 Vacuums berbeda. Kami tidak benar-benar tahu jumlah pastinya, tetapi kira-kira sama dengan jumlah yang sangat besar ini. Dan hanya 10 ^-120 vakum dari jumlah total memiliki energi yang sangat sedikit. Oleh karena itu, kepadatan energi didistribusikan dari +10 ¹²⁰ ke -10 ¹²⁰ energi vakum yang kami amati.

Ini berarti bahwa energi yang kita amati hanya dalam potongan sempit di tengah, menempati 10 ^-120lebar seluruh distribusi. Semua ini, tentu saja, merupakan perkiraan yang sangat kasar. Yang penting bukanlah kuantitas, tetapi apakah Anda setuju dengan gagasan itu. Kami berasumsi bahwa sekitar 10 ^-120 vakum berbeda akan memiliki kepadatan energi yang cukup rendah.

Tetapi pada saat yang sama masih akan ada sejumlah besar vakuum seperti itu, karena 10 ^-120 kali 10 ⁵⁰⁰ ternyata 10 ³⁸⁰ . Meskipun ^vakuum seperti itu akan sangat langka, ada ^10.380berbagai jenis vakuum, yang semuanya memiliki kepadatan energi vakum yang dapat diamati. Dengan demikian, dalam lanskap teori string tidak ada masalah menemukan ruang hampa yang kepadatan energinya serendah yang kita amati. Tetapi kemudian muncul pertanyaan, jika mereka sangat langka, bukankah itu sebuah keajaiban bahwa kita hidup di salah satu vakuum yang tidak biasa ini dengan kepadatan energi yang sangat rendah.

Ini mengarah pada apa yang kadang-kadang disebut prinsip antropik atau efek seleksi. Untuk menunjukkan bagaimana ini bekerja sehingga tidak terdengar gila seperti kelihatannya, saya ingin memulai dengan contoh di mana saya pikir Anda benar-benar dapat mengatakan bahwa efek ini sedang terjadi. Mari kita lihat posisi kita di alam semesta kita yang terlihat dan perhatikan, misalnya, kepadatan massa.

Tempat di mana kita hidup sangat tidak biasa dalam banyak hal, tetapi salah satu parameter yang sederhana dan kuantitatif adalah kepadatan massa. Kepadatan benda-benda di sekitar ruangan ini sekitar satu gram per sentimeter kubik, mungkin 10 kali lebih banyak atau kurang. Faktor 10 tidak terlalu penting untuk apa yang akan saya bicarakan.

Faktanya adalah bahwa kepadatan massa rata-rata alam semesta yang terlihat adalah sekitar 10 ^-30 gram per sentimeter kubik. Sulit dipercaya betapa kosongnya alam semesta. Ini adalah kepadatan yang jauh lebih rendah daripada yang bisa kita capai di laboratorium di Bumi dengan sistem vakum yang lebih baik.

Di tempat kami tinggal, massa jenisnya 10 ³⁰kali lebih besar dari kepadatan rata-rata alam semesta yang terlihat. Jadi kita tidak hidup di tempat khas alam semesta kita yang terlihat. Kita hidup di tempat yang sangat tidak lazim. Orang mungkin bertanya-tanya bagaimana menjelaskan ini. Apakah ini hanya kebetulan bahwa kita hidup di daerah dengan kepadatan massa yang tinggi? Jika ini adalah masalah kebetulan, maka tampaknya tidak terlalu mungkin. Apakah itu keberuntungan? Apakah itu pemeliharaan ilahi, atau apa?

Saya pikir sebagian besar dari Anda akan setuju bahwa ini kemungkinan besar efek seleksi. Ini adalah tempat di mana kehidupan muncul. Kehidupan tidak muncul di sebagian besar alam semesta yang terlihat. Itu muncul di tempat-tempat langka, seperti permukaan planet kita, yang istimewa dalam banyak hal, tetapi kepadatan massa saja sudah cukup untuk membuatnya sangat istimewa. Kami berbeda dalam 10 ³⁰ kali dari nilai rata-rata lingkungan kita.


Jika kita menjelaskan mengapa kita hidup di tempat yang tidak biasa di jagat raya kita yang terlihat, hanya dengan persyaratan hidup, maka tidaklah begitu sulit untuk memperluas gagasan ini lebih jauh. Steve Weinberg pertama kali memperhatikan hal ini pada tahun 1987. Tentu saja, dia bukan yang pertama mengungkapkan ide ini, tetapi dia adalah yang pertama yang paling sedikit dipercaya oleh orang lain.

Dia mencatat bahwa kepadatan energi yang rendah dari vakum dapat dijelaskan dengan cara yang sama. Jika kita hidup di tempat atipikal di dalam jagat raya kita yang kelihatan, maka, juga, tidak ada alasan untuk berharap bahwa kita harus hidup di tempat tipikal multiverse. Mungkin hanya sebagian kecil dari berbagai jenis alam semesta saku yang dapat menopang kehidupan. Mungkin satu-satunya cara untuk memiliki kehidupan adalah memiliki kepadatan energi vakum yang sangat rendah.

Di belakang ini ada beberapa fisika. Ingatlah bahwa kerapatan energi dari ruang hampa mempercepat ekspansi. Oleh karena itu, jika kepadatan energi vakum jauh lebih tinggi dari apa yang kita amati, alam semesta akan mengembang dengan sangat cepat dan terbang terpisah sebelum waktu datang untuk sesuatu yang menarik, misalnya, untuk pembentukan galaksi. Weinberg mendasarkan argumennya pada asumsi bahwa galaksi adalah kebutuhan untuk munculnya kehidupan.

Jika kepadatan energi vakum secara signifikan lebih besar dari apa yang kita amati, alam semesta akan terbang begitu cepat sehingga galaksi tidak akan pernah terbentuk. Akibatnya, tidak akan ada planet, tidak ada yang terhubung dengan kehidupan yang kita tahu.

Sebaliknya, jika kepadatan energi vakum negatif, tetapi memiliki nilai lebih besar dibandingkan dengan apa yang kami amati, maka percepatan negatif besar akan muncul. Semesta seperti itu hanya akan menyusut, runtuh dalam waktu yang sangat singkat, terlalu cepat untuk kehidupan jenis apa pun yang kita ketahui bentuknya. Dengan demikian, ada argumen fisik yang mengklaim bahwa kehidupan terbentuk hanya ketika kepadatan energi ruang hampa sangat kecil.

Weinberg dan rekan-rekannya menghitung apa persyaratan untuk pembentukan galaksi seharusnya. Ternyata agar galaksi terbentuk, kerapatan energi vakum tidak boleh melebihi kerapatan energi yang diamati sekitar 5 kali. Ini mungkin penjelasan yang mungkin. Meskipun ini, tentu saja, bukan penjelasan yang diterima secara umum dan sangat kontroversial.


Beberapa fisikawan menerima gagasan seleksi ini. Saya cenderung menerimanya. Tetapi banyak fisikawan menganggapnya benar-benar tidak masuk akal, mengatakan bahwa argumen semacam itu dapat menjelaskan apa saja. Dan ada beberapa kebenaran dalam hal ini. Anda dapat menjelaskan banyak hal, jika Anda mau, hanya dengan menegaskan bahwa itu perlu untuk munculnya kehidupan.

Oleh karena itu, menurut pendapat saya, argumen efek seleksi atau prinsip antropik harus selalu dianggap sebagai argumen harapan terakhir. Yaitu, sampai kita memahami lanskap teori string, dan kita tidak memahaminya secara terperinci, dan sampai kita benar-benar memahami apa yang diperlukan untuk menciptakan kehidupan, kita benar-benar tidak dapat melakukan apa-apa lagi, daripada memberikan argumen yang masuk akal dengan prinsip antropik.

Namun argumen ini terdengar masuk akal. Saya pikir tidak ada yang tidak masuk akal di dalamnya, mungkin ada penjelasan untuk beberapa hal. Seperti yang saya catat, ini menjelaskan mengapa kita hidup di tempat yang tidak biasa di alam semesta kita yang terlihat. Argumen untuk efek seleksi menjadi sangat menarik ketika pencarian untuk penjelasan lebih langsung gagal. Dalam kasus upaya untuk menjelaskan kepadatan energi vakum yang sangat rendah, penjelasan lain tidak berhasil. Kami tidak memiliki pemahaman kuantitatif dan langsung tentang mengapa energi ruang hampa harus sangat kecil.


Apakah sudah waktunya untuk menerima penjelasan tentang harapan terakhir bahwa kepadatan energi ruang hampa sangat kecil, hanya karena itu perlu bagi kehidupan untuk berkembang? Saya benar-benar tidak tahu. Tetapi saya akan mengatakan bahwa dalam kasus kepadatan energi vakum rendah, orang telah berusaha sangat, sangat keras selama beberapa tahun untuk menemukan penjelasan untuk ini dalam fisika partikel elementer, dan tidak ada yang menemukan apa pun yang menurut orang lain dapat diterima. Jadi ini tentu masalah yang sangat serius. Saya pikir waktunya telah tiba untuk menganggap serius argumen harapan terakhir. Kepadatan energi vakum rendah hanya karena di bagian multiverse tempat ini tidak begitu, tidak ada yang hidup. Menurut saya efek seleksi adalah yang paling masuk akal dari penjelasan apa pun yang saat ini diketahui.


Mari kita simpulkan apa yang kita pelajari. Saya telah menunjukkan bahwa paradigma inflasi sekarang dalam kondisi sangat baik. Ini menjelaskan keseragaman alam semesta dalam skala besar. Ini memprediksi kepadatan massa alam semesta dengan akurasi 1% dan menjelaskan getaran yang kita lihat dalam radiasi latar belakang kosmik, memperlakukan mereka sebagai hasil dari fluktuasi kuantum yang terjadi di alam semesta paling awal.

Gambaran inflasi mengarah pada tiga ide yang mengindikasikan kemungkinan multiverse. Ini, tentu saja, bukan bukti bahwa kita hidup dalam multiverse, tetapi toh. Pertama, adalah pernyataan bahwa hampir semua model inflasi mengarah pada gagasan inflasi abadi, bahwa ekspansi eksponensial materi inflasi adalah di depan peluruhan masalah ini, sehingga volumenya tumbuh selamanya dan secara eksponensial.


Poin kedua adalah bahwa pada tahun 1998 para astronom menemukan fakta yang menakjubkan bahwa perluasan alam semesta tidak melambat saat mengembang, tetapi lebih cepat. Ini menunjukkan bahwa di alam semesta pasti ada beberapa materi khusus, berbeda dari substansi yang telah kita ketahui, dan materi khusus ini disebut energi gelap. Kami tidak memiliki interpretasi sederhana tentang apa itu, tetapi kemungkinan besar itu adalah energi hampa. Jika demikian, maka ini segera mengarah ke pertanyaan penting mengapa energi ini penting, yang kami amati. Rupanya, itu jauh lebih kecil dari yang Anda harapkan.

Dan ketiga, ahli teori yang mempelajari teori string memberi kita penjelasan yang menarik. Mereka mengatakan bahwa mungkin, menurut hukum fisika, tidak ada ruang hampa tunggal, tetapi ada sejumlah besar vakuum berbeda yang diprediksi oleh teori string. Jika demikian, maka kita mengasumsikan bahwa di antara banyak vakum berbeda akan ada sejumlah besar yang memiliki kepadatan energi yang sangat rendah. Mereka membuat sebagian kecil dari jumlah total vakuum yang berbeda, tetapi, bagaimanapun, ada cukup banyak dari mereka. Maka gagasan efek seleksi dapat memberikan penjelasan yang memungkinkan mengapa kita hidup di salah satu vakuum yang sangat tidak biasa yang memiliki kerapatan energi yang sangat rendah ini.

Saya ingin mengakhiri dengan sedikit cerita. Seberapa fisikawan benar-benar menganggap semua ini serius? Saya akan bercerita tentang percakapan yang terjadi di konferensi beberapa tahun yang lalu. Saya akan mulai dengan Martin Reese. Ini adalah astronom dari Inggris, mantan presiden Royal Society, mantan kepala Trinity College, yang sangat dihormati dan, omong-omong, orang yang baik. Dia mengatakan dia cukup percaya diri dalam multiverse untuk menempatkan nyawa anjingnya di atasnya.

Andrew Linde dari Stanford, penggemar sejati ide multiverse, juga salah satu pendiri teori inflasi, mengatakan bahwa ia cukup percaya diri pada multiverse untuk mempertaruhkan hidupnya di dalamnya. Steve Weinberg tidak di konferensi ini, tetapi dia menulis sebuah artikel yang kemudian diketahui, mengomentari diskusi ini. Menurut Anda, apa yang siap disampaikannya? Dia mengatakan bahwa dia sangat percaya diri dalam multiverse bahwa dia siap untuk mengenakan padanya kehidupan Andrei Linda dan kehidupan anjing Martin Reese.

Ini menyimpulkan ulasan singkat kami. Apakah ada pertanyaan sebelum kita memulai, ke awal yang benar dari kursus kita?

SISWA: Efek seleksi menyatakan bahwa Ω adalah 1, dan energi vakum jauh lebih sedikit daripada yang seharusnya, hanya karena kehidupan ada dalam batas-batas ini, bahwa kehidupan hanya bisa ada dengan cara ini. Tapi kami mempertimbangkan kehidupan berbasis karbon. Bagaimana jika ada beberapa bentuk kehidupan lain yang memungkinkan Anda memiliki energi, kepadatan, dan sebagainya yang berbeda?

GURU: Ya, apa yang Anda tunjukkan, tentu saja, adalah kelemahan besar dari argumen efek seleksi. Kami benar-benar mengetahui kehidupan berbasis karbon, kehidupan yang mirip dengan kehidupan kami, dan kami dapat berbicara tentang kondisi apa yang diperlukan untuk kehidupan seperti itu. Tetapi mungkin ada kehidupan yang sama sekali berbeda dari kita, yang kita tidak tahu apa-apa, dan yang bisa ada dalam kondisi yang sama sekali berbeda. Ini benar-benar kelemahan.

Namun demikian, saya ingin mengatakan, walaupun ini juga dapat diperdebatkan, dan tidak semua orang akan setuju dengan saya, tetapi situasi serupa muncul jika kita ingin menjelaskan fitur-fitur yang tidak biasa dari bagian alam semesta tempat kita hidup. Katakanlah, menggunakan contoh yang saya gunakan sebelumnya, bahwa kita hidup di tempat di mana kepadatan massa 10-30 kali lebih tinggi dari rata-rata. Jika kita siap menggunakan argumen dari prinsip antropik untuk menjelaskan ini, maka saya pikir masalah yang sama muncul di sini.

Jika di alam semesta, pada kenyataannya, kehidupan lain berlimpah, berkembang dalam ruang hampa, maka kita akan memiliki peluang yang jauh lebih besar untuk menjadi salah satu dari mereka daripada menjadi makhluk yang sangat tidak biasa yang hidup di permukaan planet ini. Oleh karena itu, saya berpikir bahwa ini adalah kelemahan yang mungkin harus dipikirkan, tetapi saya tidak berpikir bahwa ini harus sepenuhnya melarang kita untuk menggunakan argumen ini. Meskipun ini tentu saja merupakan kesempatan untuk skeptisisme.

SISWA: Anda menyebutkan terakhir kali bahwa berbagai alam semesta saku yang membentuk multiverse terpisah satu sama lain, meskipun mereka muncul sebagai daerah kecil dalam ruang hampa aslinya. Bagaimana mereka terpisah satu sama lain? Jika mereka semua terbentuk di ruang yang sama, apakah mereka tidak tetap di ruang ini?

GURU: Mereka benar-benar tetap, tetapi ruang di mana mereka terbentuk berkembang sangat cepat. Jadi, dalam kebanyakan kasus, meskipun tidak selalu dalam kenyataan, dua alam semesta saku akan terbentuk cukup jauh dari satu sama lain untuk tidak pernah saling menyentuh ketika mereka tumbuh, karena ruang di antara mereka mengembang terlalu cepat untuk memungkinkan untuk bertemu.

Namun, tabrakan alam semesta saku akan terjadi jika dua alam semesta saku terbentuk cukup dekat satu sama lain. Perluasan ruang di antara mereka tidak akan cukup untuk memisahkan mereka satu sama lain, dan mereka akan bertabrakan. Seberapa sering ini terjadi adalah pertanyaan yang sangat sulit yang tidak ada yang tahu jawabannya. Setidaknya ada satu artikel oleh sekelompok astronom yang telah mencari tanda-tanda kemungkinan tabrakan alam semesta di masa lalu. Mereka tidak menemukan sesuatu yang pasti. Tapi ini yang perlu Anda pikirkan, dan inilah yang dipikirkan orang. Publikasi sebenarnya berisi banyak pekerjaan pada tabrakan alam semesta.

SISWA: Ketika Anda mengatakan "berumur panjang", jam berapa yang Anda maksud dengan itu?

GURU: Saya telah menggunakan kata "berumur panjang" dalam setidaknya dua konteks. Saya berbicara tentang kekosongan metastabil yang berumur panjang. Di sini, dengan umur panjang, maksud saya jauh dibandingkan dengan usia alam semesta kita sejak Big Bang. Di sini, sangat berarti lama dibandingkan dengan 10 ¹⁰ tahun.

Saya juga mengatakan bahwa jika energi vakum alam semesta besar dan negatif, alam semesta akan runtuh dengan sangat cepat. Ini bisa terjadi dalam 10 ^-20 detik. Ini dapat terjadi dengan sangat cepat tergantung pada seberapa besar konstanta kosmologis.

SISWA: Saya membaca bahwa ada efek seperti itu ketika pengamat yang berbeda dapat melihat kekosongan dengan cara yang berbeda. Misalnya, jika pengamat dalam sistem inersia melihat ruang hampa, pengamat lain yang mempercepat relatif terhadap pengamat ini akan melihat partikel, gas hangat. Seberapa banyak kita mengamati efek ini karena fakta bahwa alam semesta mengembang dengan cepat, dan kita mungkin mengalami percepatan sehubungan dengan kekosongan tertentu?

GURU: Anda sebenarnya berurusan dengan masalah yang sangat kontroversial. Anda mengatakan bahwa Anda mendengar bahwa jika Anda mengambil pengamat yang bergerak melewati ruang hampa udara, maka pengamat yang bergerak cepat ini akan melihat sesuatu yang tidak seperti ruang hampa udara. Dia akan melihat partikel yang terlihat seolah-olah memiliki suhu yang dapat dihitung dan yang ditentukan oleh akselerasi.

Pertanyaannya adalah apa yang kita lihat benar-benar ada dalam kenyataan, dan apa yang disebabkan oleh gerakan kita sendiri. Saya tidak tahu jawaban pasti untuk pertanyaan ini. Tetapi ketika pertanyaan seperti itu muncul, kita biasanya percaya bahwa pengamat yang bergerak bebas sebenarnya berarti pengamat yang bergerak bebas di medan gravitasi, atau seperti yang kadang-kadang dikatakan oleh pengamat geodesik. Pengamat seperti itu pada dasarnya menentukan apa yang bisa disebut kenyataan. Kemudian kita dapat menghitung apa yang dilihat oleh pengamat yang mempercepat sehubungan dengan kenyataan ini.

Kami praktis pengamat geodesik. Bumi menekan kita, yang sedikit melanggar kelembaman kita. Tetapi pada skala kosmik, di mana semuanya dibandingkan dengan kecepatan cahaya, kita pada dasarnya adalah pengamat inersia atau geodetik.

SISWA: Saya punya pertanyaan filosofis. Kita tidak bisa mengamati alam semesta lain. Misalkan kita memiliki teori, seperti inflasi, yang membuat banyak prediksi. Dan dia juga membuat prediksi tentang keberadaan multiverse. Tetapi kita tidak dapat memverifikasi secara empiris apakah ini benar atau tidak, kemungkinan besar kita tidak akan pernah mendapatkan jawaban. Jika kita akan menjadi seorang empiris yang ketat, apakah ada baiknya kita berurusan dengan masalah ini sama sekali?

GURU: Ini juga dibahas dalam komunitas ilmiah, dan orang-orang menerima kedua sudut pandang itu. Ada sudut pandang di mana saya cenderung bahwa tidak setiap aspek dari teori kita dapat diuji. Jika Anda mengambil teori, bahkan gravitasi Newton, Anda dapat membayangkan konsekuensi gravitasi Newton, yang belum pernah diuji oleh siapa pun.

Oleh karena itu, saya berpikir bahwa dalam praktiknya, kita harus menerima teori yang telah cukup membuat prediksi yang kami uji sehingga teorinya menjadi meyakinkan. Dalam hal ini, kita pada saat yang sama harus menganggap serius konsekuensi dari teori yang tidak dapat diverifikasi secara langsung.

Adapun alam semesta saku lainnya. Meskipun tidak mungkin, sangat tidak mungkin, sangat tidak mungkin bahwa kita akan pernah menemukan bukti pengamatan langsung dari keberadaan alam semesta saku lain, secara teori, ini bukan tidak mungkin, karena alam semesta saku, pada prinsipnya, dapat bertabrakan. Dengan demikian, kita dapat, pada prinsipnya, menemukan bukti bahwa alam semesta kita di masa lalu memiliki kontak dengan alam semesta saku lain.

SISWA: Apa yang menentukan stabilitas keadaan vakum tertentu? Apakah vakuum energi lebih tinggi kurang stabil daripada vakuum energi rendah?

GURU: Sejauh yang saya tahu, benar-benar ada kecenderungan untuk vakuum berenergi tinggi menjadi kurang stabil dan vakuum berenergi rendah menjadi lebih stabil. Tapi itu tidak sesederhana itu. Ada banyak parameter yang tidak tergantung pada kepadatan energi.

SISWA: Jika alam semesta kita memiliki kepadatan energi yang begitu kecil relatif terhadap rata-rata, apakah ini berarti bahwa ia juga akan berumur panjang lebih lama daripada rata-rata?

GURU: Saya kira begitu. Tapi ini tidak mengubah gambar keju Swiss yang saya jelaskan untuk masa depan akhir kita. Itu hanya mengubah tingkat peluruhan. Tetapi karena masa depan jagat raya, jika gambaran ini benar, akan tak terbatas, peluruhan akan terjadi sekecil apa pun probabilitasnya. Bahkan, jumlah peluruhan yang tak terbatas akan terjadi.

Kita harus melanjutkan, bahkan jika masih ada pertanyaan. Kami masih memiliki satu semester penuh untuk membahas semua ini.


Jadi, kita akan memulai kursus dengan membahas hukum Hubble, meskipun hukum Hubble akan dengan cepat membawa kita pada pertanyaan tentang bias Doppler, yang akan saya bicarakan sampai akhir hari ini dan sebagian besar kuliah berikutnya. Hukum Hubble adalah persamaan sederhana v = H ∙ r , di mana v adalah tingkat penghapusan dari setiap galaksi yang khas.

Hukum Hubble bukanlah hukum yang pasti, galaksi individual menyimpang dari hukum Hubble. Namun pada prinsipnya, hukum Hubble mengatakan berapa kecepatan pemindahan galaksi, setidaknya dengan akurasi yang masuk akal. H sering disebut konstanta Hubble. Kadang-kadang disebut parameter Hubble.

Masalah dengan nama "Konstanta Hubble" adalah bahwa ia tidak konstan selama masa kehidupan semesta. Itu konstan sepanjang kehidupan astronom, tetapi tidak konstan sepanjang kehidupan alam semesta. Kami terutama akan berbicara tentang alam semesta, bukan tentang astronom. Bahkan sepanjang sejarah kita, ini bukan konstanta, karena estimasi konstanta Hubble telah berubah sekitar 10 kali sejak estimasi Hubble awal.

r dalam persamaan adalah jarak ke galaksi. Jika Anda melihat catatan kuliah dua tahun lalu, mereka mulai dengan fakta bahwa Hukum Hubble ditemukan oleh Hubble pada tahun 1929. Ketika saya mulai merevisi catatan saya tahun ini, saya menyadari bahwa saya telah mendengar bahwa pernyataan ini kontroversial. Hampir semuanya dalam kosmologi kontroversial, dan bahkan pernyataan ini kontroversial.

Dipercayai bahwa pada kenyataannya, Lemeter dan bukan Hubble layak mendapatkan kehormatan menemukan hukum Hubble. Ada beberapa alasan untuk pernyataan ini. Beberapa sejarawan adalah amatir, bagi saya tampaknya mereka sering disebutkan di media, mereka mengatakan bahwa kita tahu tentang karya-karya Lemaitre terutama dari terjemahan yang dibuat pada tahun 1931 dari karyanya pada tahun 1927, di mana ia menulis tentang dasar-dasar kosmologi.

Ternyata, ternyata, beberapa poin penting dari artikel Prancis tahun 1927, poin tentang konstanta Hubble, untuk beberapa alasan tidak termasuk dalam terjemahan bahasa Inggris tahun 1931. Untuk sementara ini seperti permainan kotor, ada dugaan bahwa teman-teman Hubble atau Hubble tidak memasukkan poin-poin ini selama terjemahan artikel.

Benar, akhirnya ditemukan beberapa tahun yang lalu oleh seorang fisikawan bernama Mario Livio, yang mempelajari arsip surat astronomi bulanan. Ternyata Lemeter sendiri menghilangkan poin-poin ini.

Paragraf terutama memberikan perkiraan numerik konstanta Hubble, tetapi pada tahun 1931 artikel Hubble telah diterbitkan. Lemeter mengerti bahwa dalam artikelnya hanya ada perkiraan kurang akurat dari nilai yang sama yang ditunjukkan Hubble, jadi dia memotongnya dari terjemahannya. Namun, tentu saja, memang benar bahwa Lemeter tahu tentang hukum Hubble dari pertimbangan teoretis, karena Lemeter membangun model alam semesta yang mengembang.

Saya tidak tahu apakah dia benar-benar orang pertama yang menyadari bahwa model perluasan alam semesta memunculkan hubungan linier antara kecepatan dan jarak, tetapi dia, tentu saja, mengetahuinya, memahami hukum Hubble dan memperkirakan berdasarkan data pengamatan. Namun, dia tidak mencoba menggunakan data pengamatan untuk menunjukkan bahwa ada hubungan linier. Dalam paragraf yang belum diterjemahkan, Lemeter hanya melihat sekelompok besar galaksi, menghitung nilai rata-rata untuk v , nilai rata-rata untuk r, dan menentukan H dengan membagi dua nilai rata-rata. Namun dia mengakui bahwa sebenarnya tidak ada data yang cukup baik untuk mengatakan apakah hubungan itu linier.

Saya pikir itu adil untuk mengatakan bahwa Hubble adalah orang yang benar-benar membuat argumen, pada awalnya cukup lemah, tetapi kemudian semakin menarik dari waktu ke waktu bahwa ada bukti astronomi dari hubungan linear antara kecepatan dan jarak. Jadi, kemungkinan besar, hukum akan terus disebut hukum Hubble. Jika Anda melihat apa namanya di Wikipedia, Anda akan melihat bahwa kedua opsi dapat diterima saat ini, tetapi artikel Wikipedia berubah dengan cepat, jadi kita akan melihat apa yang dia tulis tahun depan. Juga, kita mungkin harus bangga pada Lemeter. Sering ditulis bahwa Lemeter adalah seorang imam Belgia, tetapi ia juga seorang mahasiswa di MIT, ia memiliki gelar Ph.D dalam bidang filsafat dari MIT, yang ia terima pada tahun 1927.

Anda dapat membaca disertasinya. Ketika saya menulis buku saya, saya ingat bagaimana saya pergi ke arsip MIT, mengambil disertasinya dan membacanya. Sebenarnya, ini tidak mudah ditulis, tetapi menarik. Meskipun dia menerima gelar doktor di MIT, ternyata dia melakukan sebagian besar pekerjaannya di Harvard College Observatory. Tetapi Observatorium Perguruan Tinggi Harvard pada waktu itu tidak memberikan gelar. Itu hanya sebuah observatorium. Dia ingin mendapatkan gelar, jadi dia mendaftar di MIT, menulis disertasi, dan menerima gelar Ph. D.

Hukum Hubble adalah indikasi bahwa alam semesta mengembang. Einstein awalnya mengusulkan model alam semesta yang statis. Dan Hubble-lah yang meyakinkan Einstein bahwa menurut pengamatan, alam semesta tidak statis, tetapi mematuhi hukum ekspansi.

Ini menciptakan teori tentang alam semesta yang mengembang. Hari ini saya ingin berbicara tentang bagaimana mengukur v , kecepatan dalam hukum Hubble. Ada juga banyak diskusi tentang cara mengukur r , jarak. Saya pikir ini dijelaskan dengan cukup baik dalam buku Steve Weinberg. Saya ingin memberi Anda studi independen tentang buku Steve Weinberg untuk mencari tahu bagaimana jarak ke galaksi jauh diperkirakan. Secara kasar, mereka diperkirakan dengan menemukan objek di galaksi yang jauh, kecerahan yang, seperti yang Anda pikirkan, Anda tahu, dalam satu atau lain cara.

Kesulitannya adalah memahami untuk objek mana kita yakin bahwa kita mengetahui kecerahannya. Untuk benda seperti itu ada nama umum - lilin standar. Lilin standar adalah objek yang kecerahannya kita ketahui. Segera setelah kami menemukan objek yang kecerahannya, seperti yang terlihat bagi kita, kita tahu, kita dapat mengetahui seberapa jauh objek tersebut terletak dengan mengukur seberapa cerah tampilannya. Ini menjadi cara yang sangat sederhana untuk memperkirakan jarak, dan ini adalah satu-satunya cara untuk memperkirakan jarak ke galaksi jauh. Ini sebenarnya adalah topik yang jauh lebih kompleks, Anda dapat membacanya di buku Weinberg.

Pergeseran Doppler
Kecepatan penghapusan galaksi diukur menggunakan pergeseran Doppler, saya akan membicarakan hal ini selama beberapa menit dari kuliah hari ini. Dalam kuliah berikutnya, kami berencana untuk mempelajari bagaimana pergeseran Doppler dihitung dalam kasus-kasus nonrelativistic dan relativistic. Kami akan mempelajari kasus-kasus paling sederhana: ketika pengamat tidak bergerak, dan sumber bergerak dalam garis lurus; sumbernya diam, dan pengamat bergerak.

Saya akan mulai dengan opsi ketika pengamat tidak bergerak dan sumber bergerak, yang biasanya kita pertimbangkan dalam kasus galaksi jauh. Kita berada dalam kerangka referensi kita sendiri, oleh karena itu kita tidak bergerak, dan galaksi bergerak. Kita perlu menghitung pergeseran merah.Namun, saya harus memberi tahu Anda bahwa pergeseran merah kosmologis sebenarnya sedikit berbeda dari apa yang akan kita hitung dalam kuliah ini dan berikutnya.

Dalam kuliah mendatang, kita akan menghitung pergeseran merah dalam teori relativitas khusus. Tetapi kosmologi tidak diatur oleh teori relativitas khusus, karena teori relativitas khusus tidak menggambarkan gravitasi, dan gravitasi memainkan peran penting dalam kosmologi. Kami akan berbicara tentang pergeseran merah kosmologis sedikit kemudian. Saat ini, kami, seperti Hubble, mengabaikan gravitasi, yang normal untuk bintang-bintang terdekat. Semakin jauh mereka, semakin penting pengaruh gravitasi. Mengabaikan gravitasi, Anda cukup menggunakan relativitas khusus atau bahkan kinematika Newton untuk menghitung hubungan di antaranya$$$v$ dan pergeseran merah.

Jadi, tugas pertama yang akan kita selesaikan, saya pikir saya akan memformulasikannya, itu saja yang kita punya waktu, ini adalah masalah di mana ada sumber radiasi yang dalam gambar kita bergerak ke kanan dengan kecepatan $$$v$, dan seorang pengamat yang tidak bergerak.

Tentu saja, semua pernyataan ini tergantung pada kerangka referensi. Kami bekerja dalam kerangka referensi di mana pengamat tidak bergerak. Untuk kasus nonrelativistik, kami juga mengasumsikan bahwa udara, dan kami akan berbicara tentang gelombang suara, tidak bergerak dalam kerangka referensi ini. Dengan demikian, kerangka acuan kami tidak hanya kerangka acuan pengamat, tetapi juga kerangka acuan di mana udara tidak bergerak, dan kami mempertimbangkan kasus nonrelativistik gelombang suara.

Mari kita tentukan notasi kita. Biarkan$$$u$ sama dengan kecepatan gelombang suara. Karena itu biasanya diukur relatif terhadap udara, tetapi udara diam pada gambar kami$$$u$ akan menjadi kecepatan gelombang suara relatif terhadap gambar. $$$v$- kecepatan sumber. Kami akan tertarik dalam dua periode waktu.$$$Δt_s$ dimana $$$s$menunjukkan suatu sumber (dari bahasa Inggris sumber - sumber), adalah periode gelombang suara pada sumbernya, yaitu, sama dengan periode gelombang, yang diukur oleh sumbernya.

$$$Δt_o$- ini adalah periode gelombang suara pengamat (dari pengamat bahasa Inggris - pengamat) atau periode yang diamati. Subskrip adalah suratnya$$$O$ , bukan nol. Poin penting, yang dapat jelas secara kualitatif, adalah bahwa dua periode ini, atau interval waktu, tidak sama satu sama lain. Alasannya adalah sumbernya bergerak. Saya telah mengidentifikasi$$$v$ positif, seperti yang telah ditentukan oleh para astronom untuk objek mundur. Saat sumber menjauh dari kita, setiap gelombang berikutnya yang bergerak dari sumber ke kita harus menempuh jarak yang sedikit lebih besar.

Ini berarti bahwa setiap puncak gelombang sedikit tertunda ketika tiba di penerima, dibandingkan dengan situasi ketika sumbernya diam. Jika setiap puncak gelombang ditunda, ini berarti bahwa waktu antara kedatangan puncak lebih lama. Yaitu$$$Δt_o$ akan lebih dari $$$Δt_s$karena jarak ekstra setiap lambang gelombang harus melakukan perjalanan. Kami akan berurusan dengan perhitungan ini di kuliah berikutnya.

Kemudian kita akan melakukan perhitungan untuk kasus ketika pengamat bergerak dan sumbernya diam. Kemudian kita akan berbicara sedikit tentang teori relativitas khusus dan mengulangi kedua perhitungan dengan mempertimbangkan teori relativitas khusus, kita akan berbicara tentang sinar dan kecepatan cahaya, yang dapat dibandingkan dengan kecepatan cahaya.