Evrende büyük ölçekte karanlık madde ve karanlık enerji-genel göreliliğin gizemi!
Düzenlenmiş ve düzeltilmiş illüstrasyon: Yang Xige
Editörün notu: Karanlık madde ve karanlık enerji, bugün edebiyat alanında belki de en büyük çözülmemiş gizemlerdir.Çoğu arkadaşın bu iki fenomeni duyduğuna inanıyorum. Bilimsel topluluk iki fenomenin farklı yorumlarına sahiptir, ancak genellikle karanlık maddenin belirli bir parçacığa (nötrino veya keşfedilmemiş yeni parçacık) karşılık geldiğine ve karanlık enerjinin evrenin genişlemesini hızlandıran gizemli güç olduğuna inanılmaktadır (Huang Xudong'un gücünden daha gizemli) ). Fakat başka bir perspektiften, karanlık maddenin ve karanlık enerjinin eksik matematiksel modellerden kaynaklanması mümkün müdür? Buna dayanarak, Sichuan Üniversitesi'nden Profesör Ma Tian ve Indiana Üniversitesi'nden Profesör Wang Shouhong, Einstein'ın genel görelilik teorisini revize eden bir matematiksel model önerdiler. Bu yeni teori bilim camiasında yeni bir düşünce dalgasına yol açacak mı? Bekleyip göreceğiz. Bu teori genel olarak kabul edilirse, İnsanlığın evren anlayışını büyük ölçüde güncelleyecek .
-------------- Muhteşem bölme çizgisi -----------------
19. yüzyılın son gününde Avrupalı ünlü bilim adamları bir araya geldi. Toplantıda, ünlü İngiliz fizikçi Baron Kelvin (İskoç matematikçi ve fizikçi Lord William Thomson Kelvin, sıcaklık ölçü birimini hala hatırlıyor musunuz? Kelvin sıcaklık ölçümü onun tarafından yaratıldı) yeni bir yıl yayınladı Tebrikler. Fiziğin büyük başarılarını gözden geçirdiğinde, fizik binasının tamamlandığına ve geriye kalan her şeyin bazı "modifikasyon çalışmaları" olduğuna inanıyordu. Aynı zamanda, 20. yüzyılın fiziğini dört gözle beklerken düşünceli bir şekilde vaaz verdi:
"Bilimin güzel ve berrak gökyüzü şimdi iki kara bulutla örtülmüştür. İlk kara bulut ışığın dalga teorisinde ortaya çıkar ve ikinci kara bulut Maxwell-Boltzmann eşit enerji paylaşımı teorisinde (yani Siyah cisim radyasyonunun termodinamik teorisi ~~ Bu konuyla ilgili daha fazla araştırma doğrudan kuantum mekaniğinin doğmasına yol açtı).
Yukarıdaki konuşmalardan görülebileceği gibi, 19. yüzyılın sonu ve 20. yüzyılın başında akademik çevrelerde fizik yapısının tamamlandığı konusunda kör bir iyimserlik olduğu ve büyük bir atılım yapmanın artık mümkün olmadığı görülüyor. Aslında, bu zamansız iyimserlik altında bilim Devrimler, denizin altındaki aktif volkanlar gibidir, her an patlar, fırtınalı dalgaları karıştırır. Tarihin o dönemine geri döndüğümüzde, bu iki kara bulutun yeni yüzyılda bilimsel devrimin kaynaşması olduğunu ve aynı zamanda insanlığın yeni bilime kapıyı açması için bir yol gösterici olduğunu görüyoruz. Bilim her zaman bir dizi problemin yönlendirmesi altında gelişiyor. Bugün, bir asır sonra, yeni yaratılan bir "kara bulut", bugünün biliminin "güzel ve berrak gökyüzünü" hala kaplıyor ve bu sefer kimse şüphe duymuyor. Bu kara bulut bizi yeni yüzyılda bilimin kapısını açmaya götürecek Bu "kara bulut", karanlık madde ve karanlık enerji olgusudur.
Bugün, bırakın yazar, gizem ve güzelliğin bir arada var olduğu bu kara bulutu anlamanıza ve gizemli perdesini ortaya çıkarmanıza yardımcı olsun. Bilim camiasındaki genel bir endişe konusu olarak, karanlık madde ve karanlık enerji popüler bilim propagandasında eksik değildir ve hatta biraz metafiziksel bir gizemle kaplıdır.Yazar ayrıca bu makalenin okuyucuları karanlık madde ve karanlık enerji fenomeni hakkında net ve titiz bir anlayışa yönlendirmesini beklemektedir. Bundan önce, önce şunu anlamalıyız:
Karanlık madde ve karanlık enerji nasıl keşfedildi? Onlar hakkında zaten ne biliyoruz?
Pus gökyüzünü karartıyor ve gözler nemli, bulutlar dağılmış ve sis kırmızı güneşi görüyor - Editörün Notu
Karanlık madde ve karanlık enerji nedir?
İnternette "karanlık madde ve karanlık enerji" araması yaparak, "şeyleri, atomları, yıldızları, galaksileri, gezegenleri, ağaçları, kayaları ve bizi biliyoruz, ancak bu maddeler tüm evrenin yüzde beşinden daha azını oluşturuyor" bilgisine kolayca ulaşabiliriz. Tüm evrende yaklaşık% 25 karanlık madde ve% 70 karanlık enerjidir. "Bu hayalet enerjiyi ve maddeyi göremiyoruz ve" gözlemlenemez "görünüyorlar. Peki bunlar nedir? Bilimsel araştırma ruhuyla, karanlık madde ve karanlık enerji fenomeninin ilk etapta nasıl keşfedildiğine bir bakalım.
1932'de Hollandalı astrofizikçi J. Oort, Samanyolu galaksisindeki yıldızların hızının gözlemlenen gerçek madde miktarıyla eşleşmediğini ilk fark etti. Bu süreci kısaca gözden geçirelim. Klasik mekaniğe göre Merkezkaç kuvveti ve yerçekimi arasındaki dengede, Samanyolu yıldızları Samanyolu'nun merkezi etrafında döndüklerinden (galaksinin merkezi-Xiaobian'ın notu olarak anılır), hareket hızının merkezkaç kuvveti ve yerçekimi arasındaki dengeyi sağlaması gerektiğini kolayca anlayabiliriz:
Gerçekte gözlemlenen kütle, yukarıda hesaplanan M_r'den çok daha küçüktür ve bu "eksik kütleler" karanlık maddedir. Karanlık madde, gözlenemeyen ama var olan "maddi bir form" olarak kabul edilir. Bir dizi müteakip astronomik gözlem ve hesaplama (1933'te F. Zwicky, 1970'de V. Rubin, vb.) Hepsi "gözlemlenemez nitelikte" varlığını gösterdi ve bu, varoluş şekli bilinmeyen bir madde haline geldi.
1970 yılında V.Rubin, yakındaki bir yıldız kümesinin dönme hızını ölçtü ve ölçülen veriler (beyaz çizgi) teorik sonuçtan (kırmızı çizgi) çok farklıydı -Editörün Notu
Peki karanlık enerji nedir? Karanlık madde gibi, karanlık enerji de varsayılır ve bu sadece bir enerji biçimidir. Son derece büyük kozmik ölçekte mevcuttur (burada "son derece büyük", bir galaksi kümesinin kozmik ölçeğini ifade eder. Bir galaksi kümesi yüzlerce ila binlerce galaksi içerir. Galaksimiz büyük olsa da, yalnızca bir Galaksi kümelerinde), bir tür "negatif yerçekimine" benzer şekilde yerçekimini iten bir etki üreten evrenin "hızlandırılmış genişlemesini" açıklamak için kullanılır - büyük ölçekli kozmik maddenin birbirini itmesini sağlar.
Adam Riess ve arkadaşları ilk kez kırmızıya kayma ve süpernovaya olan mesafenin Hubble yasasını karşılamadığını buldular ve böylece karanlık enerji hipotezini önerdiler. Bu keşif onlara 2011 Nobel Fizik-Editörün Notu'nu kazandırdı.
Karanlık madde ve karanlık enerjinin yeni bir yorumu - yerçekimi alanlarının büyük ölçekli etkisi
Karanlık madde ve karanlık enerjinin keşif sürecini bilmek, gerçekten hayaletler kadar yakalanması zor mu? Bu mutlaka doğru değildir. Yazar, karanlık maddeyi ve karanlık enerji fenomenini anlamamız için anahtar ipuçları olacak aşağıdaki noktaları burada vurgulamaktadır:
Yerçekimi hesaplanırken ve kütle hataları oluşturulurken karanlık madde ve karanlık enerji keşfedildi . Bu gizemli madde, enerji ve yerçekimi ile yakından ilgilidir;
Bu karanlık maddenin ne olduğunu belirleyecek hiçbir deney yok . Bu nedenle, karanlık maddeye "gözlenemeyen madde" muamelesi yapmak bu fenomenin bir açıklamasıdır;
Karanlık madde ve karanlık enerji büyük ölçekli bir kozmolojik fenomendir . Bu fenomen, güneş sistemi ölçeğinde neredeyse hiç gözlemlenemez.Karanlık madde fenomeni, Samanyolu'nun büyük ölçeğinde bulunur ve karanlık enerji fenomeni, daha büyük ölçekli bir kozmolojik fenomendir.
Karanlık madde ve karanlık enerji Elektromanyetik etkileşim yok , Bilinen temel parçacıkların özelliklerini eşleştirmek de zordur. .
Ek olarak, eğer karanlık madde gerçekten de uzayda yayılan bilinmeyen bir kütle maddesiyse, kütleçekim alanında kütle yoğunlaşması olmalı ve karanlık madde yoğunlaşması evrende asla bulunamamıştır. Aslında karanlık madde ve karanlık enerji fenomeni, yerçekimi ile ilgili keşfedilen kozmolojik bir fenomendir. "Keşfedilmemiş bir madde veya belirli bir enerji", bu kozmolojik fenomenin bir açıklamasıdır ve onu mutlaka temsil etmez. Biraz madde veya enerji.
Deneyden elde edilen bilgileri entegre edersek, karanlık madde karanlık enerjisinin evrenin büyük ölçekli yapısı (galaksi kümelerinin kozmik ölçeği) ile bir miktar ilişkiye sahip olması gerektiğini cesurca tahmin edebiliriz ve bu kozmolojik fenomen yerçekimi ile yakından ilgilidir (çünkü Tam olarak yerçekimi hesaplanırken böyle bir kütle hatası elde edilir). Einstein'ın genel görelilik teorisi, yerçekimsel etki ile evrenin geometrik yapısı arasında yakın bir bağlantı kurdu.Karanlık madde ve karanlık enerjinin keşfi, evrenimizin büyük ölçekte bilinmeyen bir geometrik yapıya sahip olduğunu ima eder. Bu sorular dizisini keşfetmeye başlamadan önce, Einstein'ın genel görelilik teorisi hakkında genel bir anlayışa sahip olmamız gerekir.
Evrenin geometrik yapısı-Einstein'ın genel görelilik teorisi
Genel görelilik, yerçekimi ile ilgili bir teoridir. Matematiksel açıdan, evrenin yapısı hakkında geometrik bir teoridir. Fiziksel açıdan bakıldığında, yerçekiminin etkileşimi ile ilgili bir teoridir. Einstein'ın gözünde iki açıklama arasında bir fark yoktur: Evrenin geometrik yapısı yerçekimi etkisi yaratır ve yerçekimi etkisi evrenin geometrik yapısını şekillendirir. Bu bağlamda, (Hiroşima atom bombasının üretimi için Manhattan Projesi'ne katılan ve aynı zamanda Feynman'ın öğretmen-editörünün notu olan) Amerikalı fizikçi Wheeler'ın da benzer bir argümanı var:
"Uzay-zaman maddeye nasıl hareket edeceğini söyler ve madde uzayda nasıl büküleceğini söyler - Wheeler."
Daha spesifik olarak, matematikte, uzayın "eğriliğini" karakterize eden şey, uzay metriğidir (Riemann metriği olarak da bilinir, matris olarak da kabul edilebilir, yani ikinci derece tensör-Editörün Notu):
Tüm evreni araştırma alanı olarak kabul edersek, o zaman metrik, evrendeki tüm konumlarda yerçekiminin dağılımını tanımlayan ve yerçekimi ile ilgili tüm bilgileri içeren evrendeki yerçekimi potansiyel enerjisidir. Bu nedenle, genel görelilik bize şunu söyler:
Evrenin uzay geometrisi = yerçekimi alanı
Daha da önemlisi, genel görelilik, yerçekimi potansiyel enerjisinin denklemi olan yerçekimini hesaplamak için bir yöntem sağlar, ünlü Einstein alan denklemi. Ünlü matematikçi David Hilbert de bu denklemi bağımsız olarak türetmiştir. Yazar, bunun insanlık tarihindeki en büyük denklemlerden biri olduğuna inanıyor. Okuyucunun sadece bu denklemin yerçekimi potansiyeli g_ij ile ilgili bir denklem olduğunu bilmesi gerekir ve bu denklem yerçekimi potansiyelini hesaplayabilir (denklemin dejenere formu Newton'un yerçekimi potansiyelini çözebilir). Alan denkleminin sağ ucu enerji momentum tensörü T_ij'dir, bu terim evrendeki enerji ve momentumdur ve
Aslında, insanların gözlemlediği karanlık madde ve karanlık enerji etkileri bu formül kullanılarak hesaplanır. Evrensel çekim yasası yalnızca küçük ölçekli aralıkta (güneş sistemi) geçerliyse, geniş ölçekli aralıkta değilse, o zaman yukarıdaki formül büyük bir hataya neden olabilir.Bu hesaplama hatası muhtemelen karanlık madde ve karanlık enerjinin kaynağı olabilir.
Peki evrensel çekim yasasını değiştirmek için hangi yöntemi kullanıyoruz? Bir sonraki bölüme giriyoruz.
Karanlık madde ve karanlık enerjiye dayalı genel görelilik
Genel görelilik teorisi, çok sayıda deneysel veri ile desteklenmektedir ve yerçekimi fenomenini tanımlayan en gerçekçi fiziksel teoridir. Karanlık madde ve karanlık enerjinin keşfi, evrenin büyük ölçekte bilinmeyen bir geometrik yapıya, yani genel göreliliğin daha da gelişmesine yol açması gereken bilinmeyen bir yerçekimi fenomenine sahip olduğunu ima eder. 2012'de Sichuan Üniversitesi'nden Profesör Tian Ma (Tian Ma) ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Indiana Üniversitesi'nden Profesör Shouhong Wang (Shouhong Wang) bu alanda çalışmaya başladılar ve genel görelilik tarafından tanımlanan yerçekimi etkisiyle başarılı bir şekilde karanlık madde ve karanlık enerjiyi önerdiler. Birleşik teori, fiziksel sorunları açıklamak için bir çözüm sağlar. Profesör Wang Shouhong, bu çalışmayı bildirmek için Cambridge Üniversitesi Newton Enstitüsüne davet edildi ve daha sonra çalışmaları bir miktar dikkat çekti.
Ma Tian ve Profesör Wang Shouhong, bu yılki APS (Amerikan Fizik Topluluğu) ppt-Editörün Notunda
Kırmızı kısım, iki profesörün yeni sonucudur - Einstein alan denklemi, karanlık madde ve karanlık enerji - editörün notuna göre revize edilmiştir.
Yazar, okuyucuları bu gizemli kozmolojik fenomeni anlamaya yönlendirecek. Özel bir şeye değer, çünkü bu çalışma daha zor matematiksel teoriler ve zengin fiziksel fikirler içeriyor.Matatiğe aşina olmayan okuyucular, önce makalede bahsedilen matematiksel teorileri kabul etmeyi seçebilirler, ancak fiziksel fikirlere dikkat etmeleri gerekir. , Fiziksel sonuç açıkça elde edildi.
Einstein çağında karanlık madde ve karanlık enerji fenomeninin keşfedilmediğini biliyoruz, bu nedenle Einstein yerçekimi alanı teorisini incelediğinde, enerji ve momentum tensöründeki karanlık madde karanlık enerji etkisini, dolayısıyla tüm enerji ve momentum tensörünü dikkate almadığını biliyoruz.
Ve enerjinin ve momentumun korunmasını sağlayın
(Fizikçiler bu ayrıştırmayı Helmhertz ayrıştırması olarak adlandırırlar ve matematikçiler buna Hodge ayrışması adını verirler. Maxwell denklemlerinin bir denkleme sıkıştırılmasının nedeni aynı zamanda bu formülün kredisidir - Editörün Notu) Doğal olarak
Son maddede yer alan "phi", maddenin evrendeki eşitsiz dağılımından kaynaklanan bir potansiyel olduğu kanıtlanmış yeni keşfedilmiş bir alandır. Revize edilmiş yerçekimi alanı denklemine göre, Ma Tian ve Wang Shouhong ilk olarak literatürde revize edilmiş bir yerçekimi formülü (nokta kaynak madde alanı için) önerdiler:
Yukarıdaki formülün ilk terimi, evrensel yerçekiminin klasik Newton formülüdür.Yukarıdaki formülün, yüzey kütlesi M olan nokta kaynak malzemesi yakındadır (r < 10 ^ 20 km) yerçekimi etkileşimi, r > İtme kuvveti 10 ^ 20 km'dedir ve bu etkileşim yalnızca ölçek çok büyük olduğunda ve son ikisi son derece zayıf olduğunda ve güneş sistemi ölçeğinde göz ardı edilebilir olduğunda görünür olacaktır.
Karanlık maddenin karanlık enerji etkisinin gerçek zamanlı olarak keşfedildiği tarihsel zamana baktığımızda, bu gizemli kozmolojik fenomenin, kütleçekimini hesaplarken deney ve teorilerin ürettiği büyük kütle hatasında bulunduğunu ve bu hatanın güneş sisteminin ölçeğine yansımadığını biliyoruz. dışarı gel. Makalelerinde, Ma Tian ve Wang Shouhong, karanlık madde karanlık enerji etkisinin ilgili deneysel fenomenini bu yeni kurulan birleşik karanlık madde ve karanlık enerji teorisine dayanarak yeniden hesapladılar ve bu yeni kurulan teoriye göre bu tür kütle hatalarının olmadığını buldular.
Büyük ölçekli yerçekimi etkisi, evrenin geniş ölçekli geometrik yapısına karşılık gelir ve böyle bir geometrik yapı, genel görelilik teorisine gömülüdür.Karanlık madde ve karanlık enerji etkisi, böyle büyük ölçekli bir evrenin geometrik yapısını yansıtır. Burada ayrıca karanlık madde ve karanlık enerji üzerine düşünen geleneksel araştırmanın, aslında yeni kurulan alan denklemleri olan karşılık gelen bilinmeyen parçacıkları bulmak olduğunu da belirtebiliriz.
Modern alan teorisinin görüşüne göre, son maddede açıklanan alan parçacıkları, parçacıkların kendilerinden ayırt edilemez. Ma ve Wang'ın makalelerinde, bu parçacık, aynı zamanda yerçekimi alan denkleminden elde edilen "eşlenik graviton" olarak adlandırılır. Hareket denklemi. Karanlık madde ve karanlık enerjinin geleneksel açıklamasından farklı olarak, burada elde edilen "karanlık madde parçacıklarının" kütlesi yoktur, ancak yerçekimi alanında ürettikleri yerçekimi etkileşimleri bizi karanlık madde ve karanlık enerji fenomenlerini gözlemlemeye yönlendirir.
Böylece yukarıda belirtilen sonucu aldık:
Karanlık madde karanlık enerji fenomeni, evrendeki büyük ölçekli yerçekimi etkisinden kaynaklanır.
Evrenin büyük ölçekli geometrik yapısı ve maddenin kararlılığı
Evrenin büyük ölçekli geometrik yapısı, evrenin geometrik yapısını anlamamız için çok önemli olan karanlık maddenin karanlık enerji etkisinden elde edilir.Bu yapı, evrendeki maddenin kararlılığını sağlar. Süper büyük ölçekli kozmik yapıda, galaksi kümelerinin kütlesi son derece büyüktür, bu nedenle aralarında çok büyük yerçekimi etkileşimleri vardır.Ancak, böyle bir ölçekte, evrenin geometrik yapısı itici etkileşimler (yani karanlık enerji fenomeni) üretir. Etkileşim, büyük galaksi kümeleri arasındaki dengeyi sağlar ve bu da büyük ölçekli yapı altında evrenin istikrarını sağlar.
Alan kısıtlamaları nedeniyle, bu makale burada sona ermektedir.İlgili okuyucular daha ayrıntılı literatüre bakabilirler: https://arxiv.org/pdf/1206.5078.pdf. Yazar sonraki makalelerde okuyucularla bu büyük ölçekli yerçekimi etkisi ile evrenin genel yapısı arasındaki ilişkiyi, özellikle de "evren genişlemeyi hızlandırıyor" ve diğer kozmolojik teoriler arasındaki ilişkiyi tartışacak. Okurların bu alanı kapsamlı bir şekilde anlayabilmesi için fiziksel teoriler karşılaştırılır.
-------------- Muhteşem bölme çizgisi -----------------
Özet:
Doğa bilimlerinde matematiksel modellerin doğruluğu genellikle sadece deneysel verilerle doğrulanabilir. Saf matematikte aksiyom sisteminden gerçekliği kanıtlamak zordur - bu Newton'un mekaniğinin yasaları, Schrodinger denklemi ve Einstein alan denklemi için doğrudur. Aynısı doğrudur.
Bu yazıda bahsedilen model ile bilinen teori arasındaki ilişki şu şekildedir:
Ma Tian ve Profesör Wang'ın teorisi ciddiye alınabilirse, kozmolojik bakış açımız üzerinde çok büyük bir etkisi olacaktır, işte okuyucular için bir gerilim. Gelecekte, Profesör Ma Tian ve erkek kardeşi Li Dapeng (bu makalenin yazarı Li Dapeng, Profesör Ma Tianın ayağıdır) ve diğerleri, herkes için daha olası bir gerçek dünyayı yeniden kurmak için burada makaleler yazmaya devam edecek.
Bu makale "The Frontline of Popular Science (kpzqxyxg)" adlı herkese açık hesaptan alınan yetkilendirme ile yeniden basılmıştır.
Editör: The Little Novice Monk of Shan Temple
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
