1917'de Einstein'ın yazdığı bir makale kozmolojide yeni bir bölüm açtı
Her yıl, Einstein'ın büyük başarılarını kutlamak için her zaman bazı nedenler bulabiliriz. Örneğin, 2015 yılında dünya, Einsteinın genel görelilik teorisinin yayınlanmasının 100. yıl dönümünü kutluyor; 2016 yılında LIGO, Einstein tarafından 100 yıl önce tahmin edilen yerçekimi dalgalarının tespitini duyurdu; ve bu yıl, 25 Nisan hariç "Genius: Einstein" ın (Genius) 10 bölümüne ek olarak, modern kozmolojinin doğmasının üzerinden de 100 yıl geçti.
Geçmişte insanlar evrenin kökeni ve diğer meseleler hakkında düşünüyor olsalar da, kozmoloji çalışması 1917'den önce hiç modern değildi. Bugün sık sık bahsettiğimiz karanlık enerji, mikrodalga fon radyasyonu, büyük patlama ve enflasyonun tümü genel göreliliğe dayanmaktadır. Her şey 100 yıl önce Einstein tarafından yazılan bir makaleyle başladı. Fizikçi Cormac O'Raifeartaigh'ın makalelerinden birinde yazdığı gibi: "Einstein'ın 1917'de yayınlanan makalesinin modern teorik kozmoloji için sağlam bir temel oluşturduğuna hiç şüphe yok." 1
Einstein Alan Denklemi
İlk önce genel görelilik-Einstein'ın alan denklemindeki temel denklemi anlayalım, şöyle görünür:
Denklemin sol tarafına Einstein tensörü , Uzay-zaman eğriliğinin farklı yerlerde nasıl değiştiği gibi uzay-zaman geometrisini açıklar. Denklemin sağ tarafında bazı tanıdık sabitlerin (yerçekimi sabiti G ve ışık hızı c gibi) sözde çarpımla çarpıldığını görüyoruz. Stres-enerji tensörü , Zaman ve mekandaki şeyler hakkında (madde, enerji ve basınç gibi) bilgiler içerir. Bunlar zaman ve mekânın eğriliğinin kaynağıdır. Denklem, uzay-zaman geometrisinin ve uzay-zamandaki şeylerin birbirine bağlı olduğu anlamına gelir. John Wheeler'ın sözleriyle özetlemek gerekirse: "Madde zaman ve uzaya nasıl büküleceğini, zaman ve uzay da maddeyi nasıl hareket ettireceğini söyler."
Madde, zaman ve mekanın bükülmesine neden olur. (Resim kaynağı: EOIN DUFFY)
Einstein, yeni teorisini güneş sistemine güzel bir şekilde uyguladı ve son 100 yılda sayısız en zorlu testi geçti. Örneğin, 19. yüzyılın başlarında gökbilimciler, güneşe en yakın olan Merkür yörüngesinde bir anormallik keşfettiler. Newton'un evrensel çekim yasasına göre, bir gezegenin güneş etrafındaki yörüngesi, diğer kütlelerin müdahalesi veya etkisi olmadan mükemmel bir kapalı elipstir. Aslında, güneş sisteminin, Merkür'ün yörüngesinin kapanmamasına neden olan ve sözde devinime neden olan (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi) çeşitli etkileri vardır.
Newton'un yerçekimi yasasına göre, Merkür'ün güneş etrafındaki yörüngesi kapalı bir eliptik yörüngedir (kırmızı); mavi, Einstein tarafından tahmin edilen Merkür'ün eliptik yörüngesidir. (Resim kaynağı: Wikimedia Commons)
Newton'un yerçekimi yasasını kullanarak ve Merkür'ü etkileyebilecek diğer tüm faktörleri (bilinen tüm gezegenler ve Dünya'nın devinimi dahil) göz önünde bulundurarak, teorik tahminlerin ve gözlemlerin hala hatalar içerdiğini, yani her yüzyılda 43 yay saniyelik bir hata olduğunu görüyoruz. Einstein, Merkür'ün günberi devinimi sorununu mükemmel bir şekilde çözmek için 1915'e kadar genel göreliliği kullandı. O zaman, hatta bugün bile, yeni bir yerçekimi teorisinin bu kadar küçük bir etkiyi doğru bir şekilde tanımlayabilmesi inanılmaz.
Genel görelilik altında evren görüşü
Newton'un çekim yasası tüm evrene uygulandığında sorunlarla karşılaşıldı. Tüm kütleler birbirine çekilirse, tüm evrendeki tüm madde sonunda yerçekimi altında çökecektir. Bu nedenle Newton, evrenin sonsuz büyüklükte ve maddeyle dolu olduğunu, böylece içe doğru çekimin uzak maddenin çekmesiyle dengeleneceğini öne sürdü. Elbette bu açıklama insanları ikna etmeye yetmiyor. Bunun bir nedeni, çok hassas düzenlemeler gerektirmesidir: Bir yıldız ortadan kaybolduğunda, çekici kuvvetler arasındaki denge bozulacak ve evren sonunda çökecektir. Aynı zamanda sonsuz sayıda yıldızın varlığını gerektirir ve bu da Obers paradoksunu tetikledi: Gece gökyüzü neden karanlık? (Bkz: "Astronominin Beş Paradoksu").
Einstein, yerçekimi teorisinin Newton'un yerçekiminin karşılaştığı sorunları çözebileceğini umuyordu. Bu nedenle, 1917'de Einstein, Prusya Bilimler Akademisi'ne "Genel Görelilik Altında Kozmoloji Üzerine Düşünceler" [2] başlıklı bir makale sundu.
Einstein'ın 1917'de yayınlanan makalesi modern kozmolojinin doğuşu olarak belirlendi. (Resim kaynağı: Albert Einstein)
Kütle uzaya nasıl büküleceğini söylerse, tüm evrenin içerdiği kütleyi bilirse, evrenin geometrisini türetebileceği sonucuna vardı. Tarihte ilk kez birisi, evrenin şeklini felsefi veya teolojik bir bakış açısından değil, fizik ve matematikten çıkarmaya çalıştı.
Einstein, sorunu basitleştirmek için birkaç varsayımda bulundu: Birincisi, evrenin küresel bir şekil olması gerektiğine inanıyordu. Küre, tüm şekillerin en basitidir ve onları tanımlamak için yalnızca bir parametre gerekir, yani yarıçapı. Şimdi amacımız çok açık, denklemde evrenin büyüklüğü ile içerdiği maddeyle ilişkilendirebilecek bir çözüm bulmak. Bu çözüm durağan bir evrenin çözümü olmalı yani zamanla değişmiyor. Ne de olsa, o zaman evrenin zaman içinde gelişeceğine dair ikna edici bir kanıt yoktu. (O zamanlar insanlar evren hakkında çok sınırlı anlayışa sahipti ve çoğu insan Samanyolu'nun tüm evren olduğuna inanıyordu.)
Einstein, evrendeki maddeyi simüle etmek için, bugün hala kozmolojiye hakim olan "kozmoloji ilkesi" ni önerdi. Kozmoloji ilkesi, yeterince geniş bir ölçekte, evrenin her yerde ve her yönde aynı göründüğüne inanır.
Kozmoloji İlkesi: Evren tek tip ve izotropiktir. Kozmolojide tekdüzelik, aynı tür yapı yıldızlarının, galaksilerin, yıldız kümelerinin ve üstkümelerin evrenin her yerinde görüleceği anlamına gelir. İzotropi, evrenin herhangi bir yönde aynı göründüğü anlamına gelir. (Resim kaynağı: 2dFGRS)
Çok kalabalık bir plajda olduğunuzu hayal edin. Plajın yalnızca belirli bir bölümünü gözlemlerseniz, uzanmış veya ayakta duran biri, farklı şekillerdeki deniz kabukları veya farklı renkteki şemsiyeler gibi birçok benzersiz ayrıntı bulacaksınız. Ancak tüm sahile küresel bir bakış açısıyla baktığınızda, bu detaylar yavaş yavaş kayboluyor ve neredeyse her yerde sadece büyük bir insan kalabalığı göreceksiniz. Benzer şekilde, gece gökyüzünün farklı alanlarında birçok farklı takımyıldız göreceğiz. Ancak Samanyolu, Yerel Gökada Grubu, Başak Üstkümesi vb.'den yavaş yavaş atladığımızda, farklı galaksilerin uzayda eşit olarak dağıldığını ve tüm evrenin benzer göründüğünü göreceğiz.
Einstein, evrendeki, yani yeterince büyük (kozmolojik ilkeleri uygulayacak kadar büyük) bir küredeki maddeyi tanımlarken "evrenin ortalama enerji yoğunluğunu" kullandı, toplam kütle miktarı yaklaşık olarak sabittir. Bunlarla, denklemi sadece iki sayıyı birleştirmek için güzel bir şekilde indirgenmiştir: evrenin yarıçapı ve evrenin enerji yoğunluğu.
Ancak çalışmalarını yayınlamadan önce evren modelinin kararlılığını test etti. Bu gereklidir, çünkü birçok durumda, fiziksel sistemin denklemlerini tanımlamak için bulduğumuz çözümler kararsızdır: Bir kez rahatsız edildiklerinde, gerçek gözlemlere aykırı hale gelirler. Bu tür dengesiz çözümler genellikle atılır. Einstein, evren modelinin istikrarsız olduğunu fark etti.
Bu nedenle zor bir sorunla karşılaştı. O zamanlar, zamanla değişen bir evren onun için hala kabul edilemezdi. Ancak kozmoloji ilkelerini veya evrenin durağan ve küresel olduğu varsayımını terk etmek istemedi.
1917 tarihli makalesinde Einstein, kozmolojik sabit 'yı tanıttı. (Resim kaynağı: Albert Einstein)
Bu durumu kurtarmak için Einstein, alan denkleminin soluna fazladan bir terim (Yunanca harfiyle gösterilir) ekledi. Kozmolojik sabit ". Adından da anlaşılacağı gibi, çok özel bir işlevi olan sabit bir terimdir: sıradan yerçekiminin neden olduğu çökmeyi dengelemek için uzay geometrisinde belirli bir itme yaratır. Kozmolojik sabit yeterince küçük olduğu sürece, Bu, teorinin güneş sistemindeki gezegensel hareket tahminini değiştirmeyecek.
Einstein, statik evreni tanımlamak için alan denklemine kozmolojik sabiti () ekledi.
1917 tarihli bir makalede Einstein, kozmolojik sabitin matematiksel geçerliliğini tanımladı, ancak fiziksel anlamını tartışmadı. Einstein da bundan memnun değildi çünkü kozmolojik sabitin orijinal teorinin biçimsel güzelliğini yok ettiğine inanıyordu.
Şimdi hepimiz evrenin çökme tehlikesi olmadığını biliyoruz, çünkü evren durağan değil, sürekli olarak hızla genişliyor. Hubble'ın evrenin genişlediğini keşfettiğini öğrendikten sonra, Einstein genişleyen bir evren fikrini kabul etti ve kozmolojik sabiti bıraktı (veya en azından denklemde sıfıra ayarladı). Daha sonra, Willem de Sitter, Alexander Friedmann, Georges Lemaître, George Gamow ve diğerleri, Einstein temelinde dinamik bir evren kurdular. Bilimsel model aynı zamanda Hubbleın keşfi için matematiksel bir temel sağladı ve yavaş yavaş bugünün Big Bang modelini geliştirdi.
Ancak 1990'larda gökbilimciler, evrenin sadece genişlemediğini, aynı zamanda hızlandığını da keşfettiler. Bu genişleme, uzayda negatif baskı uygulayan "karanlık enerji" adı verilen gizemli bir perde arkası itici gücü gerektirir. Pek çok fizikçi, Einstein'ın kozmolojik sabitinin karanlık enerji olduğuna inanır, ancak bu fikir aynı zamanda sorunlarla da karşı karşıyadır.
Einstein'ın 1917'de yayınlanan makalesi yalnızca modern kozmolojinin başlangıcı olmakla kalmadı, aynı zamanda tanıtılan kozmolojik sabitler de bugün gizemini koruyor. Kozmolojik sabitin değerinin sıfır olup olmadığı veya evrenin hızlanan genişlemesinde önemli bir rol oynayıp oynamadığı, sonuçta bize sadece zaman söyleyebilir.
