遠い将来、宇宙は運命のさまざまな変種を期待するかもしれませんが、ダークエネルギーが本当に一定である場合（すべてのデータがこれを証明しているように）、その開発は赤い曲線に従い続けます。この曲線は、宇宙を熱的死の変種に導きます。ただし、ダークエネルギーは宇宙定数である必要はありません。
宇宙の最も神秘的な要素の1つは、 ダークエネルギーです。..。正直なところ、そこにあるべきではありませんでした。以前は、宇宙はバランスが取れていて、その膨張はその中のすべてに作用する重力によって反対されていると非常に論理的に仮定していました。重力が勝つと、宇宙は再び崩壊します。拡張が勝った場合、すべてが忘却の中に飛び込みます。しかし、1990年代以降に行われた観測は、拡大が単に増加しているだけではないことを示唆しています-遠方の銀河は、ますます増加する速度で私たちから遠ざかっています。しかし、これは新しいアイデアと呼ぶことができますか、それともアインシュタインがかつて彼の最大の過ちと呼んだもの、つまり宇宙定数の復活にすぎ ませんか？この質問は私たちの読者によって尋ねられます：
アインシュタインの宇宙定数とダークエネルギーは同じものですか？なぜ「ダークエネルギー」という用語が最終的に元の「宇宙定数」という用語に取って代わったのですか？それらは同一であるかどうか、そしてその理由は何ですか？
ここにいくつかの質問があります。アインシュタインの元の考えである宇宙定数に戻りましょう。
今日、私たちは天の川以外の銀河のかなりの割合が渦巻き状であることを知っています。1920年代以降に私たちが研究した渦巻星雲はすべて他の銀河です。しかし、アインシュタインの時代には、これは明白ではありませんでした。
アインシュタインがニュートンの万有引力の法則に取って代わり、それに取って代わるはずの重力理論に取り組んだとき、私たちは宇宙についてほとんど知らなかったことを覚えておく必要があります。もちろん、天文学は何千年も前から存在しており、望遠鏡はそのほとんどの時間にわたって存在しています。星、彗星、小惑星、星雲を測定しました。私たちは、新しい超新星の誕生を見てきました。変光星と原子を発見しました。空には、らせん状と楕円形の興味深い構造が見つかりました。
しかし、これらの渦巻きと楕円が独立した銀河であることを私たちは知りませんでした。このアイデアは2番目に人気がありました。主要な意見は、これらは宇宙全体を表す天の川の内側にある特定の実体（おそらく星を形成する）であるというものでした。アインシュタインは、既知の宇宙全体を含むすべてに適用できる重力の理論を探していました。
太陽の近くの地球の重力の振る舞いは、目に見えない重力の引力の存在によってではなく、太陽によって湾曲した空間での地球の自由落下によってよりよく説明されます。 2点間の最短距離は直線ではなく測地線であり、時空の重力変形によって決定される曲線です。
アインシュタインが彼の最大の成果である一般相対性理論（GR）を定式化することができたとき、問題は明らかになりました。アインシュタインは、無限の距離にわたって互いに無限に速く作用する質量に依存する代わりに、まったく異なる概念を提示しました。まず、空間と時間は絶対的ではなく、各観測者に対して相対的であるため、理論はすべての観測者に対して同一の予測を行う必要がありました。物理学者が言うように、「相対論的に不変である」 「そしてこれは、時空の別々の概念を時空の単一の4次元ファブリックに織り込む必要があることを意味しました。重力効果はもはや無限の速度で伝播していませんでしたが、重力の速度によって制限されていました。アインシュタインの理論によれば、光の速度に等しい。
アインシュタインの重要な突破口は、物質とエネルギーの両方に影響を与える時空の曲率で、互いに引き合う質量を置き換えることでした。湾曲した時空は、物質とエネルギーがどのように動く必要があるかを決定しました。そして、各瞬間の物質とエネルギーは、空間にどのように曲がるかを教えます。そして、これはそれらが互いにどのように影響するかです-物質とエネルギーの各シフトの後、空間の曲率はわずかに変化します。それらの変化は一般相対性理論の方程式によって支配されます。
その中の移動する質量に対する時空の反応のアニメーション。それは、時空を二次元の「布」としてではなく、実際の物体として想像することを可能にします。物質とエネルギーの存在と性質により、3次元空間は湾曲しています。互いに周りのいくつかの質量の動きは重力波を引き起こします。
アインシュタインがそこで止まっていたとしたら、彼は宇宙革命を開始したでしょう。一方では（いわば、方程式の等号の一方で）宇宙のすべての問題とエネルギー。一方、時空の曲率。それはそこで終わるはずです-方程式の予測はあなたに将来何が起こるかを教えてくれるはずです。
そして、アインシュタインが小さな質量から大きな距離でこれらの方程式を解いたとき、彼はニュートンの万有引力の法則を受けました。しかし、質量に近づくと、修正が忍び寄り始めました-これまで説明されていなかった水星の軌道の逸脱を説明し、太陽を通過する星の光が直線から逸脱するはずであると予測しました。これが一般相対性理論が実際に最初に確認された方法です。
しかし、別の状況では、別の問題が発生しました。宇宙が物質で均一に満たされていると仮定すると、方程式からそれは不安定であることがわかります。それが静的時空に存在し始めた場合、それは崩壊しなければなりません。この状況を改善するために、アインシュタインは宇宙定数を発明しました。
宇宙が膨張していなければ、どんな種類の静止物質でも満たすことができますが、それは常にブラックホールに崩壊します。アインシュタインの重力の文脈では、そのような宇宙は不安定であり、拡大しなければなりません。
宇宙定数のアイデアがどこから来ているのかを理解する必要があります。数学には、物理学に遍在する強力なツールがあり ます。微分方程式です。ニュートンの法則F = maのような単純なものである可能性があります。この方程式は、特定の量が次の瞬間にどのように動作するかを簡単に説明しています。その瞬間が経過した後、それらは同じ方程式に代入することができ、それは再び次の瞬間にそれらに何が起こるかを予測します。
たとえば、微分方程式は、丘を転がるボールがどうなるかを知ることができます。それは、それがどのような経路をたどるか、どのように加速するか、その場所が時間とともにどのように変化するかを示します。丘を転がるボールの動きを表す微分方程式を解くことにより、その弾道を正確にプロットすることができます。
微分方程式は、丘を転がるボールについて知りたいことのほとんどすべてを教えてくれます。しかし、それはあなたに一つのことを言うことはできません：丘がどれくらい高いか。この丘が山の高原にあるのか、海面で終わるのか、死火山の火口にあるのかはわかりません。異なる高さに位置する同一の丘は、同じ微分方程式で記述されます。
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同様の問題は、最初に不定積分（最後に追加する必要がある悪名高い「プラス定数」）を取ることを学ぶときに微積分で発生します。もちろん、一般相対性理論は1つの微分方程式ではなく、16の微分方程式の行列であり、そのうちの10は互いに依存していません。しかし、定数は特定の方法でそれらのそれぞれに追加することができます-そしてそれは宇宙定数として知られるようになりました。驚かれるかもしれませんが、これは理論の本質を根本的に変えることなく一般相対性理論に追加できる唯一のものです（別の形の物質やエネルギーを除く）。
しかし、アインシュタインは彼の理論に宇宙定数を追加しました。それが可能だったからではなく、彼の観点からはそれが好ましいからです。定数を追加せずに、彼の方程式は宇宙が拡大または縮小するべきであると言いました、しかしその種の何も目立たなかった。そして、方程式を信じる代わりに、アインシュタインは一見壊れた状況を「修正」するためにそれらに定数を注入しました。もし彼が方程式に耳を傾けていたら、彼は宇宙の膨張を予言していたでしょう。代わりに、他の科学者の研究はアインシュタインの選択に反論し、彼自身は宇宙の膨張が観測によって確認された1930年代にのみ宇宙定数を放棄しました。
宇宙の膨張中、通常の暗黒物質と放射線は密度が低くなります。しかし、インフレーション中のダークエネルギーとフィールドエネルギーは、宇宙自体に固有のものです。したがって、ダークエネルギーの密度は一定のままです。
問題は、宇宙定数が私たちが知っているエネルギーの形とは違うということです。気をつけてください-宇宙には一定量の粒子があります。宇宙の膨張に伴って、それは変化しないので、その密度は減少します。放射線をとると、量子の数が一定であるだけでなく、膨張する宇宙を通過する放射線は、いつかそれを捕らえる観測者の視点から引き伸ばされます。その密度は減少し、各量子も時間とともにエネルギーを失います。
しかし、宇宙定数は、宇宙自体に固有のエネルギーの一定の形です。まるで地球の表面が海面にないかのようですが、数メートル上昇します。はい、この新しい高さは単に「海面」と呼ぶことができますが、これは宇宙では機能しません。宇宙定数の値の大きさを知る方法はありません-私たちは単にそれがゼロであると仮定しました。ただし、これは必須ではありません。正、負、またはゼロの任意の値にすることができます。
宇宙のエネルギー密度へのさまざまな要素と寄与、およびそれらの相対的な優位性。最初の9000年間は放射線が物質を支配し、その後物質が支配的になり始め、その後宇宙定数が先行しました。他のすべてのコンポーネントが少なすぎます。ただし、暗黒エネルギーは宇宙定数と同等ではない場合があります。
以前の、熱く、密度が高く、浅い宇宙に時間をさかのぼって外挿すると、宇宙定数に気付かない場合があります。初期の段階では、それは物質と放射線によって非常に数が多かった。宇宙定数が現れるのに十分なほど物質とエネルギーの密度が低下したのは、宇宙が膨張して冷却された後でした。
つまり、存在する場合です。
ダークエネルギーは宇宙定数であることが判明するかもしれません。そして、実際、今日のすべての観測を考慮すると、これはそうであるように思われます-宇宙定数が指示するように、時間の経過に伴う宇宙の膨張率の変化は進行します。ただし、ここにはいくつかのエラーがあるため、ダークエネルギーは、原則として、時間の経過とともに次のようになります。
- 増加または減少、
- エネルギー密度を変更し、
- いくつかの新しい複雑な方法で開発します。
過去60億年間のダークエネルギーの値には制限がありますが、絶対的な精度で一定とは言えません。
物質、放射線、暗黒エネルギーの密度はよく知られています。ただし、ダークエネルギーの場合、方程式にはまだ多くの揺れの余地があります。一定にすることもできますが、時間の経過とともに変化することもあります。
もちろん、それが一定であるかどうかを知りたいのです。そして、科学で通常行われているように、観察を改善し、それらを一貫して実施することを発見します。これの鍵は、大規模なデータセットと、広範囲の距離にわたって宇宙を調査することです。結局のところ、時間の経過に伴う宇宙の膨張率の変化の細部はすべて、宇宙を通過する光がどのように変化したかを知るのに役立ちます。暗黒エネルギーが宇宙定数に正確に等しい場合、その発達は特定の曲線に従います。そうでない場合は、別の、そして私たちはそれを見ることができます。
2020年代の終わりまでに、私たちは宇宙を観測するための巨大で複雑な地上の複合体を手に入れるでしょう。天文台に感謝し ます。ヴェラ・ルービンこれは、パンスターズや スローンスカイサーベイなどの既存のすべての機器の成果を上回り ます。ヨーロッパのユークリッド天文台と NASAのナンシーローマン望遠鏡のおかげで、膨大な数の宇宙観測 が可能になります。ハッブル望遠鏡の50倍の詳細を見ることができます。この新しいデータはすべて、暗黒エネルギーが実際に宇宙定数が予測するものと同一であるかどうか、そしてそれが時間とともに変化するかどうかを判断するのに役立ちます。
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これらの2つの概念を組み合わせて、ダークエネルギーは単なる宇宙定数であると考えるという大きな誘惑があります（時には私はそれについて罪を犯します）。なぜそうしたいのかは明らかです-宇宙定数はすでに一般相対性理論の一部であり、個別に説明する必要はありません。さらに、場の量子論で空の空間の零点エネルギーを計算する方法がわからず、宇宙定数とまったく同じように宇宙に貢献しています。最後に、私たちのすべての観測は、暗黒エネルギーが宇宙定数であり、これ以上複雑にする必要がないという事実と一致しています。
しかし、このことから、新しい次元の極めて重要なことが続きます。宇宙を注意深く正確に測定することをわざわざしていなかったら、相対性理論を発見することはできなかったでしょう。私たちは量子物理学を発見しなかったでしょうし、ノーベル賞を受賞して20世紀と21世紀に私たちを駆り立てた研究のほとんどをしなかったでしょう。 10年以内に、暗黒エネルギーが1％の誤差で宇宙定数と異なるかどうかを判断するのに役立つデータが得られます。
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宇宙定数はダークエネルギーと同じであることが判明するかもしれませんが、これは必須ではありません。そして、それらが同じであることが判明したとしても、宇宙定数がなぜこのように振る舞うのか、そうでないのかを理解したいと思うでしょう。来年の2021年には、私たちの最も深い宇宙の質問に対する答えが宇宙の表面で見られることを覚えておくことが重要です。それらを取得する唯一の方法は、物理的な現実そのものに目を向けることです。