In der physischen Kosmologie, die kosmologische Konstante (gewöhnlich angezeigt durch das griechische Großbuchstabe-Lambda: Λ) wurde von Albert Einstein als eine Modifizierung seiner ursprünglichen Theorie der allgemeinen Relativität vorgeschlagen, ein stationäres Weltall zu erreichen. Einstein hat das Konzept aufgegeben, nachdem die Beobachtung der Rotverschiebung von Hubble angezeigt hat, dass das Weltall nicht stationär sein könnte, weil er seine Theorie über die Idee gestützt hatte, dass das Weltall unveränderlich ist. Jedoch hat die Entdeckung der kosmischen Beschleunigung 1998 Interesse an einer kosmologischen Konstante erneuert.

Gleichung

Der kosmologische unveränderliche Λ erscheint in der modifizierten Feldgleichung von Einstein in der Form von

wo R und g der Struktur der Raum-Zeit gehören, gehört T der Sache und Energie (Gedanke als das Beeinflussen dieser Struktur), und G und c sind Umwandlungsfaktoren, die daraus entstehen, traditionelle Einheiten des Maßes zu verwenden. Wenn Λ Null ist, nimmt das zur ursprünglichen Feldgleichung der allgemeinen Relativität ab. Wenn T Null ist, beschreibt die Feldgleichung leeren Raum (das Vakuum).

Die kosmologische Konstante hat dieselbe Wirkung wie eine innere Energiedichte des Vakuums, ρ (und ein verbundener Druck). In diesem Zusammenhang wird es mit einem Proportionalitätsfaktor 8 allgemein definiert: Λ = 8ρ, wo die Einheitsvereinbarung der allgemeinen Relativität verwendet wird (sonst würden Faktoren von G und c auch erscheinen). Es ist üblich, Werte der Energiedichte direkt, obwohl noch mit dem Namen "kosmologische Konstante" anzusetzen.

Eine positive Vakuumenergiedichte, die sich aus einer kosmologischen Konstante ergibt, bezieht einen negativen Druck, und umgekehrt ein. Wenn die Energiedichte positiv ist, wird der verbundene negative Druck eine beschleunigte Vergrößerung des leeren Raums steuern. (Sieh dunkle Energie und kosmische Inflation für Details.)

Omega-Lambda

Anstatt der kosmologischen Konstante selbst beziehen sich Kosmologen häufig auf das Verhältnis zwischen der Energiedichte wegen der kosmologischen Konstante und der kritischen Dichte des Weltalls. Dieses Verhältnis wird gewöhnlich angezeigt. In einem flachen Weltall entspricht dem Bruchteil der Energiedichte des Weltalls wegen der kosmologischen Konstante. Bemerken Sie, dass diese Definition an die kritische Dichte des gegenwärtigen kosmologischen Zeitalters gebunden wird: Die kritischen Dichte-Änderungen mit der kosmologischen Zeit, aber die Energiedichte wegen der kosmologischen Konstante bleibt unverändert überall in der Geschichte des Weltalls.

Gleichung des Staates

Ein anderes Verhältnis, das von Wissenschaftlern verwendet wird, ist die Gleichung des Staates, der das Verhältnis des Drucks ist, dass dunkle Energie das Weltall zur Energie pro Einheitsvolumen anzieht.

Geschichte

Einstein hat die kosmologische Konstante als ein Begriff in seinen Feldgleichungen für die allgemeine Relativität eingeschlossen, weil er unzufrieden war, den sonst seine Gleichungen anscheinend für ein statisches Weltall nicht erlaubt haben: Ernst würde ein Weltall verursachen, das am Anfang am dynamischen Gleichgewicht war, um sich zusammenzuziehen. Um dieser Möglichkeit entgegenzuwirken, hat Einstein die kosmologische Konstante hinzugefügt. Jedoch, kurz nachdem Einstein seine statische Theorie entwickelt hat, haben Beobachtungen durch Edwin Hubble angezeigt, dass das Weltall scheint sich auszubreiten; das war mit einer kosmologischen Lösung der ursprünglichen Gleichungen der allgemeinen Relativität im Einklang stehend, die vom Mathematiker Friedmann gefunden worden waren. Einstein hat sich später auf seinen Misserfolg bezogen, die Vergrößerung des Weltalls aus der Theorie vorauszusagen, bevor es durch die Beobachtung der kosmologischen roten Verschiebung, als der "größte Fehler" seines Lebens bewiesen wurde.

Tatsächlich führt das Hinzufügen der kosmologischen Konstante zu den Gleichungen von Einstein zu keinem statischen Weltall am Gleichgewicht, weil das Gleichgewicht nicht stabil ist: Wenn sich das Weltall ein bisschen ausbreitet, dann veröffentlicht die Vergrößerung Vakuumenergie, die noch mehr Vergrößerung verursacht. Ebenfalls wird ein Weltall, das sich ein bisschen zusammenzieht, fortsetzen sich zusammenzuziehen.

Jedoch ist die kosmologische Konstante ein Thema des theoretischen und empirischen Interesses geblieben. Empirisch weist der Angriff von kosmologischen Daten in den letzten Jahrzehnten stark darauf hin, dass unser Weltall eine positive kosmologische Konstante hat. Die Erklärung dieses kleinen, aber positiven Werts ist eine hervorragende theoretische Herausforderung (sieh die Abteilung unten).

Schließlich sollte es bemerkt werden, dass einige frühe Generalisationen der Gravitationstheorie von Einstein, die als klassische vereinigte Feldtheorien bekannt ist, entweder eine kosmologische Konstante auf dem theoretischen Boden eingeführt haben oder gefunden haben, dass es natürlich aus der Mathematik entstanden ist. Zum Beispiel hat Herr Arthur Stanley Eddington behauptet, dass die kosmologische unveränderliche Version der Vakuumfeldgleichung das "erkenntnistheoretische" Eigentum ausgedrückt hat, das das Weltall "selbstmisst", und die reine-affine Theorie von Erwin Schrödinger mit einem einfachen abweichenden Grundsatz die Feldgleichung mit einem kosmologischen Begriff erzeugt hat.

Positiver Wert

Vom beobachteten Milchstraße-Vertrieb 1992 Paal u. a. war erst, wer nicht kosmologische Nullkonstante vorgeschlagen hat. Zwei Jahre später in einer anderen Zeitung haben sie vorgeschlagen.

Beobachtungen haben 1998 der Entfernungsrotverschiebungsbeziehung für den Typ Ia supernovae bekannt gegeben hat angezeigt, dass sich die Vergrößerung des Weltalls beschleunigt. Wenn verbunden, mit Maßen der kosmischen Mikrowellenhintergrundradiation haben diese einen Wert, ein Ergebnis einbezogen, das unterstützt und durch neuere Maße raffiniert worden ist. Es gibt andere mögliche Ursachen eines beschleunigenden Weltalls wie Quintessenz, aber die kosmologische Konstante ist in vieler Hinsicht die einfachste Lösung. So schließt das aktuelle Standardmodell der Kosmologie, das Modell des Lambdas-CDM, die kosmologische Konstante ein, die gemessen wird, um auf der Ordnung von 10 M in metrischen Einheiten zu sein. Multipliziert mit anderen Konstanten, die in den Gleichungen erscheinen, wird es häufig als die 10er Jahre, 10 GeV, 10 g/cm ausgedrückt. In Bezug auf Einheiten von Planck, und als ein natürlicher ohne Dimension Wert ist die kosmologische Konstante, λ, auf der Ordnung 10.

Wie nur kürzlich, durch Arbeiten 't Hooft, Susskind gesehen wurde und andere eine positive kosmologische Konstante überraschende Folgen wie ein begrenztes maximales Wärmegewicht des erkennbaren Weltalls hat (sieh den holografischen Grundsatz).

Ein Problem entsteht mit der Einschließung der kosmologischen Konstante im Standardmodell: D. h., das Äußere von Lösungen mit Gebieten von Diskontinuitäten (sieh Klassifikation von Diskontinuitäten an der typischen Sache-Dichte). Diskontinuität betrifft auch das vorige Zeichen des Drucks der kosmologischen Konstante, sich vom aktuellen negativen Druck bis attraktiven mit lookback zum frühen Weltall ändernd. Eine andere Untersuchung hat gefunden, dass die kosmologische Zeit, dt, für jeden begrenzten Zwischenraum, ds, vereinigt mit einem Beobachter abweicht, der sich dem kosmologischen Horizont nähert, eine physische Grenze zur Beobachtung für das Standardmodell vertretend, wenn der kosmologische Begriff eingeschlossen wird. Das ist eine Schlüsselvoraussetzung für eine ganze Interpretation von astronomischen Beobachtungen, besonders der Natur der dunklen Energie und der kosmologischen Konstante gehörend. Alle diese Ergebnisse sollten als Hauptmängel des Standardmodells betrachtet werden, aber nur wenn der kosmologische unveränderliche Begriff eingeschlossen wird.

Vorhersagen

Quant-Feldtheorie

Ein hervorragendes Hauptproblem besteht darin, dass die meisten Quant-Feldtheorien einen riesigen Wert für das Quant-Vakuum voraussagen. Eine allgemeine Annahme ist, dass das Quant-Vakuum zur kosmologischen Konstante gleichwertig ist. Obwohl keine Theorie besteht, der diese Annahme unterstützt, können Argumente in seiner Bevorzugung gemacht werden.

Solche Argumente basieren gewöhnlich auf der dimensionalen Analyse und wirksamen Feldtheorie. Wenn das Weltall durch eine wirksame lokale Quant-Feldtheorie unten zur Skala von Planck beschrieben wird, dann würden wir eine kosmologische Konstante der Ordnung dessen erwarten. Wie bemerkt, oben ist die gemessene kosmologische Konstante kleiner als das durch einen Faktor 10. Diese Diskrepanz ist "die schlechteste theoretische Vorhersage in der Geschichte der Physik genannt worden!".

Einige supersymmetrische Theorien verlangen eine kosmologische Konstante, die genau Null ist, die weiter Dinge kompliziert. Das ist das kosmologische unveränderliche Problem, das schlechteste Problem der fein einschaltenden Physik: Es gibt keine bekannte natürliche Weise, die winzige kosmologische Konstante abzuleiten, die in der Kosmologie von der Partikel-Physik verwendet ist.

Grundsatz von Anthropic

Eine mögliche Erklärung für den kleinen, aber Nichtnullwert wurde von Steven Weinberg 1987 im Anschluss an den anthropic Grundsatz bemerkt. Weinberg erklärt dass, wenn die Vakuumenergie verschiedene Werte in verschiedenen Gebieten des Weltalls nähme, dann würden Beobachter Werte notwendigerweise messen, die dem ähnlich sind, das beobachtet wird: Die Bildung von Lebenstragwerken würde in Gebieten unterdrückt, wo die Vakuumenergie viel größer ist. Spezifisch, wenn die Vakuumenergie negativ ist und sein absoluter Wert wesentlich größer ist, als es scheint, im beobachteten Weltall zu sein (sagen Sie ein Faktor von 10 größeren), alle anderen Variablen (z.B Sache-Dichte) unveränderlich haltend, der bedeuten würde, dass das Weltall geschlossen wird; außerdem würde seine Lebenszeit kürzer als das Alter unseres Weltalls, vielleicht für das intelligente Leben zu kurz sein, um sich zu formen. Andererseits würde sich ein Weltall mit einer großen positiven kosmologischen Konstante zu schnell ausbreiten, Milchstraße-Bildung verhindernd. Gemäß Weinberg würden Gebiete, wo die Vakuumenergie mit dem Leben vereinbar sind, verhältnismäßig selten sein. Mit diesem Argument hat Weinberg vorausgesagt, dass die kosmologische Konstante einen Wert weniger haben würde als hundertfach der zurzeit akzeptierte Wert. 1992 hat Weinberg diese Vorhersage der kosmologischen Konstante zu 5 bis 10 Male der Sache-Dichte raffiniert.

Dieses Argument hängt von einem Mangel an einer Schwankung des Vertriebs (räumlich oder sonst) in der Vakuumenergiedichte ab, wie erwartet würde, wenn die dunkle Energie die kosmologische Konstante wäre. Es gibt keine Beweise, dass sich die Vakuumenergie wirklich ändert, aber sie kann der Fall sein, wenn, zum Beispiel, die Vakuumenergie ist (sogar teilweise), das Potenzial eines Skalarfeldes wie der restliche inflaton (sieh auch Quintessenz). Eine andere theoretische Annäherung, die sich mit dem Problem befasst, ist die von Mehrvers-Theorien - das Voraussagen einer Vielzahl "des parallelen" Weltalls, vielleicht mit verschiedenen Gesetzen der Physik und/oder Werten grundsätzlicher Konstanten. Wieder stellt der anthropic Grundsatz fest, dass wir nur in einem des Weltalls leben können, das mit einer Form des intelligenten Lebens vereinbar ist. Kritiker behaupten, dass diese Theorien, wenn verwendet, als eine Erklärung für die feine Einstimmung, den Scheinbeweis des umgekehrten Spielers begehen.

1995 wurde das Argument von Weinberg von Alexander Vilenkin raffiniert, um einen Wert für die kosmologische Konstante vorauszusagen, die nur zehnmal die Sache-Dichte, d. h. ungefähr dreimal der aktuelle Wert, da bestimmt, war.

Zyklisches Modell

Neuere Arbeit hat darauf hingewiesen, dass das Problem indirekte Beweise eines zyklischen Weltalls, vielleicht wie erlaubt, durch die Schnur-Theorie sein kann. Mit jedem Zyklus des Weltalls (Urknall dann schließlich ein Großes Knirschen) Einnahme von ungefähr einer Trillion (10) Jahre, "wird der Betrag der Sache und Radiation im Weltall neu gefasst, aber die kosmologische Konstante ist nicht. Statt dessen vermindert sich die kosmologische Konstante allmählich über viele Zyklen zum kleinen Wert beobachtet heute." Kritiker antworten, dass, weil die Autoren in ihrer Zeitung anerkennen, das Modell "... denselben Grad zur Folge hat, erforderlich in jedem kosmologischen Modell zu stimmen...".

Siehe auch

• Das Weltall von Einstein
• Gleichungen von Friedmann
• Mechanismus von Higgs
• Lösung von Lambdavacuum
• Natürlichkeit (Physik)
• Quant-Elektrodynamik
• Relativität von de Sitter
• Wirkung von Unruh
• Vakuumenergie
• Nullpunktsenergie

Weiterführende Literatur

• Michael, E., Universität Colorados, Abteilung von Astrophysical und Planetary Sciences, "die kosmologische Konstante",

• Ferguson, Kätzchen (1991). Stephen Hawking: Suche Nach Einer Theorie von Allem, Franklin Watts. Internationale Standardbuchnummer 0 553 29895 X.

Links

• Carroll, Sean M., "die kosmologische Konstante" (kurz), "die kosmologische Konstante" (erweitert).
• 'Zyklisches Weltall' kann kosmologische Konstante erklären.
• Nachrichtengeschichte: Mehr Beweise für die dunkle Energie, die der kosmologische unveränderliche ist
• Kosmologischer unveränderlicher Artikel von Scholarpedia