Stała kosmologiczna - Polski Serwis Naukowy

Stała kosmologiczna (zazwyczaj oznaczana dużą literą lambda - Λ) – stała zaproponowana przez Alberta Einsteina jako modyfikacja do jego własnej ogólnej teorii względności mająca pomóc w wyjaśnieniu modelu kosmologicznego Wszechświata znanego jako statyczny model Wszechświata. Stała kosmologiczna Einsteina jest niezależna od czasu i przestrzeni. Odkrycie w 1929 prawa Hubble'a, potwierdzające rozszerzanie się Wszechświata, kwestionowało wprowadzenie tej stałej. Również w samej konstrukcji teorii względności taki dodatek był sztuczny. Sam Einstein wprowadzenie tej stałej nazwał największą pomyłką swojego życia.

Ciemna energia – w kosmologii jest hipotetyczną formą energii, która wypełnia całą przestrzeń i wywiera na nią ujemne ciśnienie, wywołując rozszerzanie się Wszechświata. Jest to jedno z pojęć wprowadzone w celu wyjaśnienia przyspieszania ekspansji kosmosu oraz problemu brakującej masy we Wszechświecie.

Czas – skalarna wielkość fizyczna określająca kolejność zdarzeń oraz odstępy między zdarzeniami zachodzącymi w tym samym miejscu. Pojęcie to było również przedmiotem rozważań filozoficznych.

O koncepcji stałej kosmologicznej przypomniano sobie podczas prób kwantowania pola grawitacyjnego. Energia próżni, zakrzywiająca przestrzeń, zachowuje się analogicznie do stałej kosmologicznej: ciśnienie jest równe minus gęstości energii. Niestety, na gruncie obecnej teorii cząstek elementarnych, wartość energii próżni oszacowana na podstawie skali Plancka przekracza o kilkadziesiąt rzędów wielkości wielkość akceptowalną z punktu widzenia kosmologii, a w szczególności obserwowanych rozmiarów Wszechświata (S. Weinberg, 1989, Review of Modern Physics, 61, 1).

Kosmologia obserwacyjna jest działem astronomii, a dokładnie astrofizykii. Zajmuje się badaniem wszechświata, jego kształtu i ewolucji (do największej możliwej skali, po horyzont cząstek). Kosmologia obserwacyjna bazuje na kosmologii teoretycznej, tworzącej formalizmy matematyczne w postaci matematycznych modeli Wszechświata.

Kwantowanie, kwantyzacja — konstrukcja pozwalająca na przejście z klasycznej teorii pola do kwantowej teorii pola. Kwantowanie jest uogólnieniem konstrukcji stosowanej przy przejściu z mechaniki klasycznej do mechaniki kwantowej.

Od lat 90. o stałej kosmologicznej mówi się z powodu obserwacji dalekich supernowych, z których wynika, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej zamiast coraz wolniej. Można to wyjaśnić zakładając, że gęstość energii-materii jest zdominowana przez ciemną energię lub właśnie stałą kosmologiczną. Ponadto, okazało się że wiek Wszechświata oszacowany na podstawie obserwacji najstarszych gromad kulistych, powinien wynosić ponad 13 miliardów lat. W modelu Einsteina - de Sittera (bez stałej kosmologicznej) byłby on za mały w porównaniu z obserwacjami, przy założeniu stałej Hubble'a około 70 km/s/Mpc.

Rząd wielkości - techniczne i fizyczne określenie przybliżające liczbę jej logarytmem dziesiętnym lub częścią całkowitą tego logarytmu. Na przykład jeśli człowiek ma 2 metry wzrostu, a mrówka 4 milimetry długości, to można powiedzieć, że wzrost człowieka jest o 3 rzędy wielkości większy od długości mrówki:

Terminem supernowa określa się kilka rodzajów kosmicznych eksplozji, które powodują powstanie na niebie niezwykle jasnego obiektu, który już po kilku tygodniach bądź miesiącach staje się niemal niewidoczny. Istnieją dwie możliwe drogi prowadzące do takiego wybuchu: w jądrze masywnej gwiazdy przestały zachodzić reakcje termojądrowe i pozbawiona ciśnienia promieniowania zaczyna zapadać się pod własnym ciężarem, lub też biały karzeł tak długo pobierał masę z sąsiedniej gwiazdy, aż przekroczył masę Chandrasekhara, co spowodowało eksplozję termojądrową. W obydwu przypadkach, następująca eksplozja supernowej z ogromną siłą wyrzuca w przestrzeń większość lub całą materię gwiazdy. Utworzona w ten sposób mgławica jest bardzo nietrwała i ulega całkowitemu zniszczeniu już po okresie kilkudziesięciu tysięcy lat, znikając zupełnie bez śladu. Z tego powodu w naszej Galaktyce znamy obecnie zaledwie 265 pozostałości po supernowych, choć szacunkowa liczba tego rodzaju wybuchów w ciągu ostatnich kilku miliardów lat jest rzędu wielu milionów.

Równanie pola ma następująca postać: $R_{\mu \nu} -\frac{1}{2} g_{\mu \nu} R + \Lambda g_{\mu \nu} = -8 \pi {G \over c^4} T_{\mu \nu}=-\kappa T_{\mu \nu}$

gdzie: $R_{\mu \nu}$ – tensor krzywizny Ricciego, $R$ – skalar krzywizny Ricciego, $g_{\mu \nu}$ – tensor metryczny, Λ – stała kosmologiczna, $T_{\mu \nu}$ – tensor energii-pędu, π – liczba pi, c – prędkość światła w próżni, G – stała grawitacji. Wyraz ze stałą kosmologiczną można przenieść na drugą stronę równania Einsteina i zinterpretować jako tensor energii-pędu

Stała grawitacji (oznaczenie: G lub γ) – stała fizyczna służąca do opisu pola grawitacyjnego. Jako pierwszy wyznaczył ją Henry Cavendish. Obecnie używana wartość została opublikowana w 2002 roku przez Komitet Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) i wynosi:

Ogólna teoria względności (OTW) – popularna nazwa teorii grawitacji formułowanej przez Alberta Einsteina w latach 1907 – 1915, a opublikowanej w roku 1916.

$T_{\mu \nu}= \frac{\Lambda}{\kappa}g_{\mu \nu}=\epsilon g_{\mu \nu}$

Stała kosmologiczna odpowiada materii, której ciśnienie P = –ρ jest ujemne. równanie stanu można zapisać jako $P=\omega \rho\,$

z ω = –1.

Przyjmuje się, że stała kosmologiczna jest bardzo bliska zera czy też równa zero. Stała kosmologiczna o wartości dodatniej oznacza ujemne ciśnienie, a zatem przyspieszoną ekspansję próżni. Istnienie stałej kosmologicznej jest związane z ciemną energią (od 2005 roku określenie to jest coraz częściej używane w pracach kosmologów jako określenie neutralne) oraz z kosmiczną inflacją. Jako alternatywa dla energii próżni, rozważane jest pole skalarne występujące w roli ciemnej energii. Pole takie nazywane jest kwintesencją (Arystoteles – piąty element przyrody). Stała kosmologiczna jest często uznawana za szczególny przypadek kwintesencji, z równaniem stanu w którym ω = –1. Z kolei z równań Einsteina wynika, iż aby uzyskać efekt przyspieszonej ekspansji, musi pojawić się ω< -1/3. W ogólności, współczynnik w równaniu stanu nie musi być stały w czasie i moze zależeć od przesunięcia ku czerwieni. Proponowane są różne modele potencjału pola skalarnego, szybko i wolnozmienne. Jednym z egzotycznych modeli jest tzw. gaz Chaplygina, w którym ciśnienie zależy od gęstości nieliniowo (Kamenshchik A., i in., 2001, Phys. Letters B., 511, 2). Bezpośrednia rekonstrukcja postaci potencjało pola skalarnego na podstawie danych obserwacyjnych byłaby obecnie bardzo trudna, ponieważ dane dla najdalszych supernowych sięgają tylko do około z=1,5.

Energia punktu zerowego (inaczej energia próżni) to w mechanice kwantowej najniższa możliwa energia jaką może przyjąć dowolny układ kwantowy. Z definicji wszystkie układy kwantowe posiadają energię punktu zerowego.

Równanie pola w fizyce jest to równanie, które musi spełniać pole fizyczne aby opisywało sytuację fizycznie możliwą. Pola spełniające równania polowe nazywa się często polami fizycznymi a pola ich niespełniające – polami niefizycznymi.

Zobacz też

równanie Einsteina

model kosmologiczny

kosmologia obserwacyjna