הבדלים בין גרסאות בדף "אנרגיה אפלה"

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(הקבוע הקוסמולוגי)
מ (ביטל את ההגנה על אנרגיה אפלה)
 
(43 גרסאות ביניים של 3 משתמשים אינן מוצגות)
שורה 2: שורה 2:
 
טבעה של האנרגיה האפלה איננו ברור.
 
טבעה של האנרגיה האפלה איננו ברור.
  
נהוג לאמוד את כמות האנרגיה האפלה כיחס בין צפיפות האנרגיה הנוכחית שלה ביקום לצפיפות האנרגיה שהיתה דרושה על מנת שליקום תיהיה גאומטריה שטוחה (שנקראת גם [[הצפיפות הקריטית של היקום]]). כיום אנו יודעים על סמך התצפיות של [[הפרעות בקרינת הרקע הקוסמית|ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית]] כי סה"כ צפיפות החומר והאנרגיה ביקום הינם קרובה מאד לצפיפות הקריטית.
+
נהוג לאמוד את כמות האנרגיה האפלה כיחס בין צפיפות האנרגיה הנוכחית שלה ביקום לצפיפות האנרגיה שהיתה דרושה על מנת שליקום תיהיה גאומטריה שטוחה (שנקראת גם [[הצפיפות הקריטית של היקום]]). כיום אנו יודעים על סמך התצפיות של [[הפרעות בקרינת הרקע הקוסמית|ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית]] כי סה"כ צפיפות החומר והאנרגיה ביקום הינה קרובה מאד לצפיפות הקריטית.
 
על-סמך התצפיות, האנרגיה האפלה מהווה כ 72% מכלל צפיפות האנרגיה ביקום, כלומר היא הרכיב הדומיננטי ביקום. כיום, קיימים שני מודלים מובילים לטיבה של האנרגיה האפלה. המודל הראשון מיוצג ע"י הקבוע הקוסמולוגי (ראו הרחבה בהמשך) אשר גורס כי האנרגיה האפלה היא אנרגיה ''קבועה'' אשר ממלאת את היקום באופן אחיד. המודל השני מתאר את האנרגיה האפלה כשדה דינמי היכול לשנות את ערכו (קרי את צפיפות האנרגיה שלו) בזמן ובמרחב. מדידות מדויקות של קצב התפשטות היקום יוכלו לפזר את המסתורין ואולי אף להכריע מיהו המודל הנכון.
 
על-סמך התצפיות, האנרגיה האפלה מהווה כ 72% מכלל צפיפות האנרגיה ביקום, כלומר היא הרכיב הדומיננטי ביקום. כיום, קיימים שני מודלים מובילים לטיבה של האנרגיה האפלה. המודל הראשון מיוצג ע"י הקבוע הקוסמולוגי (ראו הרחבה בהמשך) אשר גורס כי האנרגיה האפלה היא אנרגיה ''קבועה'' אשר ממלאת את היקום באופן אחיד. המודל השני מתאר את האנרגיה האפלה כשדה דינמי היכול לשנות את ערכו (קרי את צפיפות האנרגיה שלו) בזמן ובמרחב. מדידות מדויקות של קצב התפשטות היקום יוכלו לפזר את המסתורין ואולי אף להכריע מיהו המודל הנכון.
  
 
קיומה של אנרגיה אפלה הוצע לראשונה ע"י [[אלברט אינשטיין|אינשטיין]] כנסיון לפתרון יציב ל[[תורת היחסות הכללית|משוואות השדה]] שלו המתארות את היקום. כאשר אינשטיין פיתח לראשונה את תורת היחסות הכללית, התפשטות היקום עדין לא היתה ידועה. אינשטיין שיער (על סמך העדויות התצפיתיות שהיו ידועות באותה תקופה) כי היקום איננו מתפשט ואיננו מתכווץ, על כן היה זקוק לרכיב אנרגיה שמתנגד לכוח הכובד על פני מרחקים גדולים שיסביר את יציבות היקום. אינשטיין קרא לרכיב הנ"ל: '''קבוע קוסמולוגי''' (באנגלית: '''Cosmological Constant''').  
 
קיומה של אנרגיה אפלה הוצע לראשונה ע"י [[אלברט אינשטיין|אינשטיין]] כנסיון לפתרון יציב ל[[תורת היחסות הכללית|משוואות השדה]] שלו המתארות את היקום. כאשר אינשטיין פיתח לראשונה את תורת היחסות הכללית, התפשטות היקום עדין לא היתה ידועה. אינשטיין שיער (על סמך העדויות התצפיתיות שהיו ידועות באותה תקופה) כי היקום איננו מתפשט ואיננו מתכווץ, על כן היה זקוק לרכיב אנרגיה שמתנגד לכוח הכובד על פני מרחקים גדולים שיסביר את יציבות היקום. אינשטיין קרא לרכיב הנ"ל: '''קבוע קוסמולוגי''' (באנגלית: '''Cosmological Constant''').  
לאחר גילוי התפשטות היקום ע"י האבל, אינשטיין הבין כי היה יכול לחזות את התפשות היקום באופן תאורטי ומיוחסת לו האמירה כי הוספת הקבוע הקוסמולוגי למשוואת השדה היא הטעות הגדולה של חיוו - אם כי לא ברור אם אכן אמר זאת.
+
לאחר גילוי התפשטות היקום ע"י האבל, אינשטיין הבין כי היה יכול לחזות את התפשות היקום באופן תאורטי ומיוחסת לו האמירה כי הוספת הקבוע הקוסמולוגי למשוואת השדה היא הטעות הגדולה של חייו - אם כי לא ברור אם אכן אמר זאת.
 
כיום אנו מבינים כי למעשה קיומה של אנרגיה אפלה עשוי להוביל לפתרון דינמי ולא קבוע ליקום.
 
כיום אנו מבינים כי למעשה קיומה של אנרגיה אפלה עשוי להוביל לפתרון דינמי ולא קבוע ליקום.
  
 
==מדידת צפיפות האנרגיה האפלה==
 
==מדידת צפיפות האנרגיה האפלה==
  
כל המדידות (כיום) של צפיפות האנרגיה האפלה מבוססות על השוואת [[מרחק בקוסמולוגיה|מרחקים קוסמולוגים]] עם [[אפקט דופלר|הסחה לאדום קוסמולוגית]] (ראו גם: [[קורדינטות בקוסמולוגיה]]).
+
כל המדידות (כיום) של צפיפות האנרגיה האפלה מבוססות על השוואת [[מרחקים בקוסמולוגיה|מרחקים קוסמולוגים]] עם [[אפקט דופלר|הסחה לאדום קוסמולוגית]] (ראו גם: [[קורדינטות בקוסמולוגיה]]).
 
גדלים פיסקלים מדידים הינם תלויים במרחק. לדוגמא, בעולם בעל גאומטריה אוקלידית פשוטה, עוצמת הארה הנראית של עצם דועכת עם ריבוע מרחקו מהצופה (ראו גם: [[בהירות]]). דוגמא אחרת היא כי [[מרחק זוויתי|גודלו הזוויתי]]  
 
גדלים פיסקלים מדידים הינם תלויים במרחק. לדוגמא, בעולם בעל גאומטריה אוקלידית פשוטה, עוצמת הארה הנראית של עצם דועכת עם ריבוע מרחקו מהצופה (ראו גם: [[בהירות]]). דוגמא אחרת היא כי [[מרחק זוויתי|גודלו הזוויתי]]  
של עצם קטן באופן מתכונתי למרחקו. בעולם בעל גאומטריה מורכת יותר דוגמאות אלו אינן נכונות.
+
של עצם קטן באופן מתכונתי למרחקו. בעולם בעל גאומטריה מורכבת יותר דוגמאות אלו אינן נכונות.
  
בקוסמולגיה, בהתבסס על תורת היחסות הכללית, ניתן להגדיר סוגים שונים של מרחקים המבטאים כיצד משתנים גדלים מדידים (כגון גודל זוויתי ועוצמת הארה נראית) כתלות בהסחה לאדום. הפונקציות המתארות מרחקים אלו תליות בתכולת היקום, כולל תכולת החומר (ראו גם: [[חומר אפל]]), תכולת ה[[קרינה אלקטרומגנטית|קרינה]] ותכולת האנרגיה האפלה.
+
בקוסמולגיה, בהתבסס על תורת היחסות הכללית, ניתן להגדיר סוגים שונים של מרחקים המבטאים כיצד משתנים גדלים מדידים (כגון גודל זוויתי ועוצמת הארה נראית) כתלות בהסחה לאדום. הפונקציות המתארות מרחקים אלו תלוית בתכולת היקום, כולל תכולת החומר (ראו גם: [[חומר אפל]]), תכולת ה[[קרינה אלקטרומגנטית|קרינה]] ותכולת האנרגיה האפלה.
 
ניתן אם כן להגדיר למשל מרחק גודל זוויתי המבטא את המרחק של העצם כתלות בהסחה לאדום אילו קוטרו הזוויתי היה דועך כמו אחד חלקי המרחק. באופן דומה ניתן גם להגדיר מרחק הארה ועוד.
 
ניתן אם כן להגדיר למשל מרחק גודל זוויתי המבטא את המרחק של העצם כתלות בהסחה לאדום אילו קוטרו הזוויתי היה דועך כמו אחד חלקי המרחק. באופן דומה ניתן גם להגדיר מרחק הארה ועוד.
  
שורה 21: שורה 21:
  
 
==עדויות לאנרגיה אפלה==
 
==עדויות לאנרגיה אפלה==
כיום ישנן הצטברות של עדויות התומכות בכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ (ראו ערך מורחב [[חוק האבל| חוק האבל והתפשטות היקום]]) ולמעשה קצב התפשטותו המואץ הוא המקור לצורך בקיומו של רכיב ביקום בעל לחץ שלילי שתרומתו לסך כל הצפיפות האנרגיה כיום משמעותית. עתה נתאר את העדויות המובילות לכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ.
+
כיום ישנן הצטברות של עדויות התומכות בכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ (ראו ערך מורחב [[חוק האבל| חוק האבל והתפשטות היקום]]) ולמעשה קצב התפשטותו המואץ הוא המקור לצורך בקיומה של האנרגיה האפלה שתרומתה לסך כל הצפיפות האנרגיה כיום משמעותית. עתה נתאר את העדויות המובילות לכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ.
  
 
===סופרנובות===
 
===סופרנובות===
שורה 28: שורה 28:
 
בהסחתן לאדום ניתן לאמוד את תכולת המסה והאנרגיה האפלה של היקום.
 
בהסחתן לאדום ניתן לאמוד את תכולת המסה והאנרגיה האפלה של היקום.
 
סופרנובות מסוג זה נובעות מפיצוץ תרמו-גרעיני של [[ננס לבן]] אך האופן בו מובל הננס הלבן לפיצוץ מסוג זה איננו ברור.
 
סופרנובות מסוג זה נובעות מפיצוץ תרמו-גרעיני של [[ננס לבן]] אך האופן בו מובל הננס הלבן לפיצוץ מסוג זה איננו ברור.
(ראו מאמר מורחב בנושא: [[מדידת מרחקים ביקום]]).
+
(ראו מאמר מורחב בנושא: [[יחידות מרחק באסטרונומיה]]).
  
 
בשנת 1998 שתי קבוצות אסטרונומים, באופן בלתי תלוי, עשו שימוש בתכונות ההארה של [[סופרנובה|סופרנובות מטיפוס Ia]]  
 
בשנת 1998 שתי קבוצות אסטרונומים, באופן בלתי תלוי, עשו שימוש בתכונות ההארה של [[סופרנובה|סופרנובות מטיפוס Ia]]  
שורה 39: שורה 39:
  
 
סוג נוסף של מדידות המאפשר את מדידת כמות המרכיבים השונים של היקום ובעיקר את סה"כ תכולת המסה והאנרגיה של היקום
 
סוג נוסף של מדידות המאפשר את מדידת כמות המרכיבים השונים של היקום ובעיקר את סה"כ תכולת המסה והאנרגיה של היקום
הוא מדידת ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית. המדידות הללו מתבססות על כך שגודלם הפיסי של ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית הינן "סרגל קוסמי" שאת גודלו אנו יכולים לחשב משיקולים פיסקלים פשוטים יחסית. השוואת הגודל הפיסי החזוי עם הגודל הזוויתי הנמדד (וידיעת ה[[אפקט דופלר|הסחה לאדום]]) מאפשרת לנו לחלץ את צפיפות החומר והאנרגיה של היקום.
+
הוא מדידת ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית. המדידות הללו מתבססות על כך שגודלם הפיסי של ה[[הפרעות בקרינת הרקע הקוסמית]] הינן "סרגל קוסמי" שאת גודלו אנו יכולים לחשב משיקולים פיסקלים פשוטים יחסית. השוואת הגודל הפיסי החזוי עם הגודל הזוויתי הנמדד (וידיעת ה[[אפקט דופלר|הסחה לאדום]]) מאפשרת לנו לחלץ את צפיפות החומר והאנרגיה של היקום.
  
 
==טבע האנרגיה האפלה==
 
==טבע האנרגיה האפלה==
  
טבעה של האנרגיה האפלה איננו ידוע אך קימות מספר השערות בנוגע למקורה - כיום קיימים שני מודלים מובילים: האחד הוא '''הקבוע הקוסמולוגי''', והשני נקרא '''קוייטנסס''' (ראו הרחבה בהמשך). לשני המודלים הללו יש מכנה משותף והוא שהם מספקים ליקום מעין '''לחץ שלילי''' ועל כן דוחפים את המרחב להאיץ את קצב התפשטותו. ההגדרה הפיזיקלית של לחץ היא כח ליחידת לשטח.
+
טבעה של האנרגיה האפלה איננו ידוע אך קימות מספר השערות בנוגע למקורה - כיום קיימים שני מודלים מובילים: האחד הוא '''הקבוע הקוסמולוגי''', והשני נקרא '''קווינטסנס''' (ראו הרחבה בהמשך). לשני המודלים הללו יש מכנה משותף והוא שהם מספקים ליקום מעין '''לחץ שלילי''' ועל כן דוחפים את המרחב להאיץ את קצב התפשטותו. ההגדרה הפיזיקלית של לחץ היא כח ליחידת שטח, אך כאן אין מדובר בלחץ פיזיקלי (כיוון שבהגדרה לא קיים לחץ שלילי) אלה באנלוגיה ללחץ.  
 
 
משתנים לא מוגדרים וקשה לעקוב...
 
אני לא בטוח שנכון לאמר שהמשוואה הנל מתארת את הכוחות על הפרעה בגודל r
 
המשוואה מתארת יקום אחיד - לא?
 
 
 
הייתי מתחיל את המשפט ב:
 
 
ניתן לרשום את משוואת הכוחות ...
 
 
 
 
 
ניתן לראות זאת ע"י תרומתה של האנרגיה האפלה למשוואת הכוחות המתארת את הכוחות הדומיננטים על הפרעה בגודל r (ראו גם [[יצירת מבנים ביקום]]), כאשר הרדיוס כאן הוא רדיוס פיזיקלי. ראו גם [[קורדינטות בקוסמולוגיה]]). במקרה של יקום שטוח  המשוואה היא:
 
 
 
<math>\frac{d^2r}{dt^2}=-\frac{GM}{r^2}+H^2_0\Omega_\Lambda r</math>
 
 
 
כאשר  <math>\Omega_\Lambda </math> הוא אחוז צפיפות האנרגיה האפלה מכלל צפיפות האנרגיה ביקום.
 
 
 
האיבר הראשון במשוואה הוא כוח הכבידה הרגיל, ואילו האיבר השני סימנו חיובי (קרי, הוא פועל נגד הגרווטציה) והוא תורם להאצת התפשטות היקום.  
 
  
 
===הקבוע הקוסמולוגי===
 
===הקבוע הקוסמולוגי===
  
 
'''הקבוע הקוסמולוגי''' (באנגלית '''cosmological constant''') מצויין בדרך כלל ע"י האות היוונית <math>\Lambda</math>.  
 
'''הקבוע הקוסמולוגי''' (באנגלית '''cosmological constant''') מצויין בדרך כלל ע"י האות היוונית <math>\Lambda</math>.  
הקבוע הקוסמולוגי הינו אבר קבוע במשוואות אינשטיין  שיוצר כח דוחף המתואר ע"י לחץ שלילי (במידה והוא חיובי). מודל זה של אנרגיה אפלה גורס כי צפיפות האנרגיה האפלה היא קבועה במרחב ובזמן.
+
הקבוע הקוסמולוגי הינו איבר קבוע במשוואות אינשטיין  שיוצר כח דוחף המתואר ע"י לחץ שלילי (במידה והוא חיובי). מודל זה של אנרגיה אפלה גורס כי צפיפות האנרגיה האפלה היא קבועה במרחב ובזמן.
  
אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק (וואקום).  
+
אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגיה של הריק (וואקום).  
 
'''צפיפות האנרגית של הריק''' (באנגלית '''vacuum energy'''), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר.   
 
'''צפיפות האנרגית של הריק''' (באנגלית '''vacuum energy'''), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר.   
הסבר מפורט  לאנרגית הריק נעוץ בתהליכים הקשורים למכניקת הקוונטים.  
+
הסבר מפורט  לאנרגית הריק נעוץ בתהליכים הקשורים למכניקת הקוונטים (הסבר מורחב נמצא בהמשך).  
  
מציע למחוק - לא תורם להבנה - הנושא מורכב יותר הסרת האין סוף מהבעיה וכו'
+
מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק. תחת ההנחה שצפיפות האנרגיה של הריק הינה קבועה, מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי הינו קבוע "אמיתי" (קרי אינו משתנה).
  
  סמדר: אני לא מסכימה, אני חושבת שעבור קורא עם ידע כל שהוא זה דווקא יכול לעזור
+
===אנרגיה אפלה - קווינטסנס===
 +
המילה '''קויטנסנס''' (באנגלית '''quintessence''') מגיעה מיונית עתיקה ומשמעותה היא '''האלמנט החמישי''', ואכן אנרגיה אפלה היא מרכיב חמישי בנוסף לארבעת הגורמים האחרים המשפיעים על [[חוק האבל|התפשטות היקום]]: [[קרינה אלקטרומגנטית|קרינה]], [[חומר אפל]], חומר ניראה, ועקמומיות.
 +
מודל זה לאנרגיה אפלה גורס כי תכונותיה משתנות בזמן ובמרחב.
  
  אני לא מבין את ההסבר
+
למעשה מה שמגדיר את הקבוע הקוסמולוגי כקבוע היא ההנחה כי כל צופה בכל מערכת קורדינטות יראה את צפיפות האנרגיה של הריק כקבועה. אך אם נוותר על ההנחה הזו נקבל כי צפיפות האנרגיה של הריק יכולה להשתנות עם הזמן.  כלומר התכונות הניצפות של הריק תלויות במהירות הצופה, ומשתנות ממערכת קורדינטות אחת לשניה. על מנת שמודל זה יתאים עם התצפיות העכשויות שלנו כרגע על אנרגיה אפלה במודל זה נבחרת ההשתנות עם הזמן להיות איטית.  מתארים את האנרגיה האפלה כנובע משדה סקאלרי (ההגדרה המתמטית לשדה סקאלרי היא שדה שאיננו משתנה תחת העברת קורדינטות איננו משנשאר אותו הדבר). במקרה כזה הקשר בין לחץ לצפיפות האנרגיה הוא: <math>p=w\cdot\rho</math> כאשר <math>w=-1</math> המודל הוא של קבוע קוסמולוגי.
  
אין הגדרה לשדה ויותר מענין זה למה ניתן לתאר את המרחב בצורה כזו. אם את רוצה להשאיר אני מציע להרחיב ולהסביר.
+
==היסטוריה של הקבוע הקוסמולוגי==
  
לשם כך נפשט את מכניקת הקוונטים באופן הבא: נתאר את המרחב שמורכב ממערכת של כדורים מחוברים זה לזה ע"י קפיצים. למעשה באופן כזה אנו יכולים לתאר כל שדה, וחוזק השדה נקבע ע"י חוזק הקפיצים. כל קפיץ כזה הוא למעשה מטוטלת (אוסילטור, בלעז) הרמוני קוונטי, והשדה (והמרחב) מתוארים ע"י אוסף של מטוטלות כאילו. האנרגיה של המרחב נקבעת ע"י האנרגיה של המטוטלות.
+
עם פירסום [[תורת היחסות הכללית]] ע"י [[אלברט אינשטיין|אינשטיין]] ב 1915, העובדה כי היקום [[הפרמטר של האבל|מתפשט]] לא היתה ידועה. באותה עת היה מקובל לחשוב כי היקום הינו סטטי, לא מתפשט ולא מתכווץ. [[אלברט אינשטיין|אינשטיין]] הכניס את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות השדה של [[תורת היחסות הכללית|יחסות כללית]] מאחר והיה זקוק לאבר שיסתור את "כח המשיכה", ימנע את התכווצות היקום ויאפשר פיתרון סטטי.
 +
כעשור מאוחר יותר גילה אדווין האבל את התפשטות היקום ולא היה עוד צורך באותו קבוע קוסמולוגי.
 +
רק בשלהי המאה ה-20 חזר הקבוע הקוסמולוגי לזירה לאחר גילוי האצת התפשטות היקום ע"י שתי קבוצות בלתי תלויות שעשו שימוש ב[[סופרנובה|סופרנובות]] מטיפוס Ia כנרות סטנדרטים.
  
פתרון בעית מטוטלת הרמונית קוונטית מוביל לשתי מסקנות חשובות
+
== אנרגיה אפלה ויצירת מבנים ביקום==
  
1. האנרגיה של מטוטלת קוונטית מקבלת ערכים בדידים בקפיצות של קבוע פלנק כפול התדירות.
+
תרומתה של האנרגיה האפלה ליצירת מבנים (הילות [[חומר אפל]] [[גלקסיה|וגלקסיות]]) ביקום (ראו: [[יצירת מבנים ביקום]]) מתוארת ע"י המשוואת הכוחות הבאה:
  
2. האנרגיה של מצב היסוד, המצב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר ''שונה'' מאפס. מתוך תיאור  המרחב כאוסף של מטוטלות קוונטיות אנו מקבלים כי האנרגיה של המצב בעל רמת האנרגיה הנמוכה ביותר הוא בעל ערך שונה מאפס. אנו מזהים מצב זה כמצב יסוד של הוואקום.
+
<math>\frac{d^2r}{dt^2}=-\frac{GM}{r^2}+H^2_0\Omega_\Lambda r</math>
  
   
+
משוואה זו מתארת את הכוחות הדומיננטים הפועלים על הפרעה כדורית לצפיפות האחידה ביקום (כלומר איזור שקצת יותר צפוף מהממוצע ביקום) בגודל r (ראו גם [[יצירת מבנים ביקום]]), כאשר הרדיוס כאן הוא [[קורדינטות בקוסמולוגיה|רדיוס פיזיקלי]] (עבור  יקום שטוח). המסה M הינה כלל המסה הנמצאת בתוך ההפרעה.
מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק.  
+
הפרמטר <math>H_0</math> הינו [[חוק האבל|הפרמטר של האבל]]
 +
ו-  <math>\Omega_\Lambda </math> הוא אחוז צפיפות האנרגיה האפלה מכלל צפיפות האנרגיה ביקום.
  
מה הקשר בין העיקרון הנ"ל והעובדה כי ניתן לחזוב עליו כעל קבוע אמיתי
+
האיבר הראשון במשוואה הוא כוח הכבידה הרגיל, ואילו האיבר השני סימנו חיובי (קרי, הוא פועל נגד הגרווטציה) והוא תורם להאצת התפשטות היקום. כלומר ישנם שני כוחות הפועלים על הפרעה לצפיפות כדורית. אחד כח גרווטציה השואף לכווץ את את ההפרעה, והשני התפשטות המרחב, השואף לרווח את ההפרעה. משוואה זו מתארת את התחרות בניהם.
  
ביחסות כללית קיים עקרון שאומר כי צופים במערכות קורדינטות אינרציאלית שונות יראו את אותו ריק, על כן ניתן לחשוב על הקבוע הקוסמולוגי כקבוע אמיתי, ולמעשה הוא מתקבל כקבוע אניטגרציה במשוואות איינשטין. כלומר צפיפות האנרגיה של הוואקום היא קבועה (קרי <math>\rho_\Lambda=constant</math>), וניתן, באופן אנלוגי לדמות את המצב לנוזל אידיאלי בעל לחץ שלילי כלומר, ניתו לתאר משוואת מצב כדלכמן:
+
הפרעה אשר נכנסת עתה [[אופק קוסמולוגי|לאופק]] לא תיקרוס כתוצאה מכח הכבידה כיוון שאיבר הקבוע הקוסמולוגי "מנצח" והמרחב מתפשט מהר יותר מכפי שההפרעה יכולה לקרוס. לעומת זאת הפרעות אשר נמצאות כבר בתהליך הקריסה (קרי, מתכווצות) אינן רגישות להתפשטות היקום כל כך וממשיכות לקרוס.
<math>P_\Lambda=-\rho_\Lambda</math>. במקרה כזה הקשר בין הקבוע הקוסמולוגי לצפיפות האנרגיה של הריק הוא: <math>\rho_{vac}=\rho_\Lambda=\frac{\Lambda}{8\pi G}</math>.  
 
  
 +
==בעיית האנרגיה האפלה והוואקום==
  
כלומר צפיפות האנרגיה של הריק היא קבועה, על, צפיפות האנרגיה האפלה קבועה, על כן השם:"''הקבוע'' הקוסמולוגי".
+
בהנחה כי מקורו של הקבוע הקוסמולוגי הוא באנרגיה של הריק (ואקום), ניתן להעריך משיקולים הנובעים ממכניקת הקוונטים ו[[יחידות פיזיקליות|אנליזת ממדים]] מה יהיה גודלו של הקבוע הקוסמולוגי. התוצאה המתקבלת היא כי גודלו של הקבוע הקוסמולוגי גדול בכ 120 סדרי גודל (קרי 10<sup>120</sup>) מערכו הנצפה של הקבוע הקוסמולוגי. בעיה זאת נקראת לעיתים '''הקטסטרופה של הואקום''' (באנגלית: '''Vacuum catastrophe''') או בעיית סדרי הגודל הגדולה ביותר בפיסיקה.
 +
בעיה זו בעצם יוצרת מצב שבו יש להתאים את הפרמטרים הפיזיקלים באופן מיוחד (בכיוונון עדין) על מנת שיתאימו לתצפיות. מצב כזה בדרך כלל לא חביב על פיזיקאים כיוון שהכיוונון העדין מעיד על מועדפות של היקום שלנו או המיקום שלנו ביקום, דבר שנוגד את [[העיקרון הקוסמולוגי]]. העיקרון הקוסמולוגי אומר כי אין העדפה מיוחדת למיקום שלנו ביקום ואין מרכז ליקום, על כן, מצב המצריך תנאים מיוחדים עומד בניגוד לכך.
 +
פתרון לבעיה מוצג ע"י [[העיקרון האנטרופי]]. העיקרון הזה אומר, באופן פשטני, כי היקום נצפה כפי שהוא נצפה כך שחיים אינטלגנטים יוכלו להתקיים בו. באופן ספציפי לבעית הקבוע הקוסמולוגי, הרעיון הוא שלקבוע הקוסמולוגי ערכים שונים באיזורים שונים והערך שאנו מקבלים מתצפיות הוא הערך שכנראה צריך להיות על מנת שיתקימו חיים.
  
====היסטוריה של הקבוע הקוסמולוגי====
+
==מודל אלטרנטיבי==
  
עם פירסום [[תורת היחסות הכללית]] ע"י [[אלברט אינשטיין|אינשטיין]] ב 1915, העובדה כי היקום [[הפרמטר של האבל|מתפשט]] לא היתה ידועה. באותה עת היה מקובל לחשוב כי היקום הינו סטטי, לא מתפשט ולא מתכווץ. [[אלברט אינשטיין|אינשטיין]] הכניס את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות השדה של [[תורת היחסות הכללית|יחסות כללית]] מאחר והיה זקוק לאבר שיסתור את "כח המשיכה", ימנע את התכווצות היקום ויאפשר פיתרון סטטי.
+
===תיקונים לתורת היחסות הכללית===
כעשור מאוחר יותר גילה אדווין האבל את התפשטות היקום ולא היה עוד צורך באותו קבוע קוסמולוגי.
 
רק בשלהי המאה ה-20 חזר הקבוע הקוסמולוגי לזירה לאחר גילוי האצת התפשטות היקום ע"י שתי קבוצות בלתי תלויות שעשו שימוש ב[[סופרנובה|סופרנובות]] מטיפוס Ia כנרות סטנדרטים.
 
  
===אנרגיה אפלה - קויטנסנס===
+
מודלים שונים טוענים כי למעשה התפשטות המואצת של היקום ומדידות אנרגיה האפלה מקורן הוא למעשה בכישלון [[תורת היחסות הכללית]] על סקלות גדולות (גדולות יותר מסופר [[צביר גלקסיות|צבירי גלקסיות]]). למעשה כל המבחנים שנעשו לתורת היחסות הכללית התקימו בסקלות קטנות יותר, ותורת היחסות הכללית לא נבחנה על סקלות בגדלים כאלו.
המילה '''קויטנסנס''' (באנגלית '''quintessence''') מגיעה מיונית עתיקה ומשמעותה היא '''האלמנט החמישי''', ואכן אנרגיה אפלה היא מרכיב חמישי בנוסף לארבעת הגורמים האחרים המשפיעים על [[חוק האבל|התפשטות היקום]]: [[קרינה אלקטרומגנטית|קרינה]], [[חומר אפל]], חומר ניראה, ועקמומיות.
 
מודל זה לאנרגיה אפלה גורס כי תכונותיה משתנות בזמן ובמרחב.  
 
  
למעשה מה שמגדיר את הקבוע הקוסמולוגי כקבוע היא ההנחה כי כל צופה בכל מערכת קורדינטות יראה את צפיפות האנרגיה של הריק כקבועה. אך אם נוותר על ההנחה הזו נקבל כי צפיפות האנרגיה של הריק יכולה להשתנות עם הזמן.  כלומר התכונות הניצפות של הריק תלויות במהירות הצופה, ומשתנות ממערכת קורדינטות אחת לשניה. על מנת שמודל זה יתאים עם התצפיות העכשויות שלנו כרגע על אנרגיה אפלה במודל זה נבחרת ההשתנות עם הזמן להיות איטית.  מתארים את האנרגיה האפלה כנובע משדה סקאלרי (ההגדרה המתמטית לשדה סקאלרי היא שדה שתחת העברת קורדינטות נשאר אותו הדבר, השימוש הפיזיקלי הוא לאנרגיה פוטנציאלית של כח כל שהוא). במקרה כזה הקשר בין לחץ לצפיפות האנרגיה הוא: <math>p=w\cdot\rho</math> כאשר <math>w=-1</math> המודל הוא של קבוע קוסמולוגי.
+
==הקבוע הקוסמולוגי ואנרגית הריק==
 +
כפי שנאמר לעיל: אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק (וואקום), כאשר '''צפיפות האנרגית של הריק''' (באנגלית '''vacuum energy'''), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר.
  
אין שום עדות רצינית לכך ש w שונה מ 1 - מציע למחוק ולהחליף בפסקה שואוצרת כי w קונסיסטני עם 1...
+
ניתן להבין את המושג הנ"ל ע"י פישוט מכניקת הקוונטים באופן הבא: נתאר את המרחב שמורכב ממערכת של כדורים מחוברים זה לזה ע"י קפיצים. למעשה באופן כזה אנו יכולים לתאר כל שדה (שדה בפיזיקה הינו פונקציה פיזיקלית המאפיינת כל נקודה במרחב-זמן), וחוזק השדה נקבע ע"י חוזק הקפיצים. כל קפיץ כזה הוא למעשה מטוטלת (אוסילטור, בלעז) הרמוני קוונטי, והשדה (והמרחב) מתוארים ע"י אוסף של מטוטלות כאילו. האנרגיה של המרחב נקבעת ע"י האנרגיה של המטוטלות. במונחים של תורת הקוונטים אנלוגיה זו מתארת את היקום וניתן לפתור בעיה זו מתמטית.  
  
סמדר: בתחומי שגיאת המדידה w יכול להיות שונה מאחד וההשפעה על היקום היא גדולה. הוספתי "בתחומי שגיאת המדידה"
+
פתרון בעית מטוטלת הרמונית קוונטית מוביל לשתי מסקנות חשובות:
  
אז למה את כותבת כי ישנן עדויות? אולי יש מודלים, אבל לא עדויות. + ענין שולי, זה כמו לכתוב כי יש עדויות בשגיאת המדידה שהחזקה שבה דועכת הגרויטציה שונה מ 2.
+
1. האנרגיה של מטוטלת קוונטית מקבלת ערכים בדידים בקפיצות של קבוע פלנק כפול התדירות.
  
לאחרונה ישנן עדויות כי יתכן והאצת קצב התפשטות היקום עברה את שיאה, ולמעשה היקום מחל עתה להאט את התפשטותו. עדויות אילו מתבססות על מודל בו w שונה ממינוס אחד אך עדיין בתחומי שגיאת המדידה, קרי, קיומה של אנרגיה אפלה כשדה דינמי בזמן ולא כקבוע קוסמולוגי. אך נכון לעכשיו (אוקטובר 2009) עדויות אילו עדיין נמצאות בשלב ראשוני, ויש צורך במחקר רב בנושא. הדעה הרווחת בקרב המדענים היא כי היקום מאיץ את קצב התפשטותו.
+
2. האנרגיה של מצב היסוד, המצב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר ''שונה'' מאפס. מתוך תיאור  המרחב כאוסף של מטוטלות קוונטיות אנו מקבלים כי האנרגיה של המצב בעל רמת האנרגיה הנמוכה ביותר הוא בעל ערך שונה מאפס. אנו מזהים מצב זה כמצב יסוד של הוואקום.
  
==בעיית האנרגיה האפלה והוואקום==
+
מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק.
  
בהנחה כי מקורו של הקבוע הקוסמולוגי הוא באנרגיה של הריק (ואקום), ניתן להעריך משיקולים הנובעים ממכניקת הקוונטים ו[[יחידות פיזיקליות|אנליזת ממדים]] מה יהיה גודלו של הקבוע הקוסמולוגי. התוצאה המתקבלת היא כי גודלו של הקבוע הקוסמולוגי גדול בכ 120 סדרי גודל (קרי 10<sup>120</sup>) מערכו הנצפה של הקבוע הקוסמולוגי. בעיה זאת שנקראת לעיתים '''הקטסטרופה של הואקום''' (באנגלית: '''Vacuum catastrophe''').
+
ביחסות כללית קיים עקרון שאומר כי צופים במערכות קורדינטות אינרציאלית שונות יראו את אותו ריק, כלומר ע"פ ההסבר לעיל, אם לריק יש ערך השונה מאפס, וכל צופה רואה את אותו ערך, אנרגית מצב היסוד של הריק הינה קבוע של הטבע.
או בעיית סדרי הגודל הגדולה ביותר בפיסיקה.
+
אם עתה נוסיף את ההבנה מתוך פיזיקת החלקיקים הגורסת כי הקבוע הקוסמולוגי ואנרגית מצב היסוד של הריק חד הם, ניתן לחשוב על הקבוע הקוסמולוגי כקבוע אמיתי. למעשה הוא מתקבל כקבוע אניטגרציה במשוואות איינשטין. כלומר צפיפות האנרגיה של הוואקום היא קבועה (קרי <math>\rho_\Lambda=constant</math>), וניתן, באופן אנלוגי לדמות את המצב לנוזל אידיאלי בעל לחץ שלילי. כמו כו, ניתו לתאר משוואת המצב של הריק כדלכמן:
מצב כזה אומר שצריך להתאים את הפרמטרים באופן מיוחד על מנת שיתאימו לתצפיות. מצב כזה בדרך כלל לא חביב על פיזיקאים כיוון שהכיוונון העדין מעיד על מועדפות של היקום שלנו או המיקום שלנו ביקום, דבר שנוגד את [[העיקרון הקוסמולוגי]]. העיקרון הקוסמולוגי אומר כי אין העדפה מיוחדת למיקום שלנו ביקום ואין מרכז ליקום, על כן, מצב המצריך תנאים מיוחדים עומד בניגוד לכך.
+
<math>P_\Lambda=-\rho_\Lambda</math>. במקרה כזה הקשר בין הקבוע הקוסמולוגי לצפיפות האנרגיה של הריק הוא: <math>\rho_{vac}=\rho_\Lambda=\frac{\Lambda}{8\pi G}</math>.
 
 
המשפט המגדיר את העיקרון האנטרופי מסורבל - לנסח מחדש את הפיסקה:
 
 
 
פתרון לבעיה מוצג ע"י [[העיקרון האנטרופי]]. העיקרון הזה אומר כי מה שמתקיים בסביבה שלנו מחוייב להתקיים על מנת שיהיו חיים. באופן ספציפי לבעית הקבוע הקוסמולוגי, הרעיון הוא שלקבוע הקוסמולוגי ערכים שונים באיזורים שונים והערך שאנו מקבלים מתצפיות הוא הערך שכנראה צריך להיות על מנת שיתקימו חיים.
 
 
 
==מודל אלטרנטיבי==
 
 
 
===תיקונים לתורת היחסות הכללית===
 
  
מודלים שונים טוענים כי למעשה התפשטות המואצת של היקום ומדידות אנרגיה האפלה מקורן הוא למעשה בכישלון [[תורת היחסות הכללית]] על סקלות גדולות (גדולות יותר מסופר צבירים). למעשה כל המבחנים שנעשו לתורת היחסות הכללית התקימו בסקלות קטנות יותר, ותורת היחסות הכללית לא נבחנה על סקלות בגודל כאלו.
+
כלומר צפיפות האנרגיה של הריק היא קבועה, על כן, צפיפות האנרגיה האפלה קבועה, ומכאן השם:"''הקבוע'' הקוסמולוגי".
  
 
==ראו גם==
 
==ראו גם==

גרסה אחרונה מ־04:57, 21 במרץ 2011

אנרגיה אפלה (באנגלית: Dark energy) היא שם לרכיב אנרגיה תיאורטי המצוי ביקום, ואשר נתמך ע"י מספר תצפיות קוסמולוגיות ביניהן, האצת התפשטות היקום בעידן הנוכחי ותכונותיה של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו. טבעה של האנרגיה האפלה איננו ברור.

נהוג לאמוד את כמות האנרגיה האפלה כיחס בין צפיפות האנרגיה הנוכחית שלה ביקום לצפיפות האנרגיה שהיתה דרושה על מנת שליקום תיהיה גאומטריה שטוחה (שנקראת גם הצפיפות הקריטית של היקום). כיום אנו יודעים על סמך התצפיות של ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית כי סה"כ צפיפות החומר והאנרגיה ביקום הינה קרובה מאד לצפיפות הקריטית. על-סמך התצפיות, האנרגיה האפלה מהווה כ 72% מכלל צפיפות האנרגיה ביקום, כלומר היא הרכיב הדומיננטי ביקום. כיום, קיימים שני מודלים מובילים לטיבה של האנרגיה האפלה. המודל הראשון מיוצג ע"י הקבוע הקוסמולוגי (ראו הרחבה בהמשך) אשר גורס כי האנרגיה האפלה היא אנרגיה קבועה אשר ממלאת את היקום באופן אחיד. המודל השני מתאר את האנרגיה האפלה כשדה דינמי היכול לשנות את ערכו (קרי את צפיפות האנרגיה שלו) בזמן ובמרחב. מדידות מדויקות של קצב התפשטות היקום יוכלו לפזר את המסתורין ואולי אף להכריע מיהו המודל הנכון.

קיומה של אנרגיה אפלה הוצע לראשונה ע"י אינשטיין כנסיון לפתרון יציב למשוואות השדה שלו המתארות את היקום. כאשר אינשטיין פיתח לראשונה את תורת היחסות הכללית, התפשטות היקום עדין לא היתה ידועה. אינשטיין שיער (על סמך העדויות התצפיתיות שהיו ידועות באותה תקופה) כי היקום איננו מתפשט ואיננו מתכווץ, על כן היה זקוק לרכיב אנרגיה שמתנגד לכוח הכובד על פני מרחקים גדולים שיסביר את יציבות היקום. אינשטיין קרא לרכיב הנ"ל: קבוע קוסמולוגי (באנגלית: Cosmological Constant). לאחר גילוי התפשטות היקום ע"י האבל, אינשטיין הבין כי היה יכול לחזות את התפשות היקום באופן תאורטי ומיוחסת לו האמירה כי הוספת הקבוע הקוסמולוגי למשוואת השדה היא הטעות הגדולה של חייו - אם כי לא ברור אם אכן אמר זאת. כיום אנו מבינים כי למעשה קיומה של אנרגיה אפלה עשוי להוביל לפתרון דינמי ולא קבוע ליקום.

מדידת צפיפות האנרגיה האפלה

כל המדידות (כיום) של צפיפות האנרגיה האפלה מבוססות על השוואת מרחקים קוסמולוגים עם הסחה לאדום קוסמולוגית (ראו גם: קורדינטות בקוסמולוגיה). גדלים פיסקלים מדידים הינם תלויים במרחק. לדוגמא, בעולם בעל גאומטריה אוקלידית פשוטה, עוצמת הארה הנראית של עצם דועכת עם ריבוע מרחקו מהצופה (ראו גם: בהירות). דוגמא אחרת היא כי גודלו הזוויתי של עצם קטן באופן מתכונתי למרחקו. בעולם בעל גאומטריה מורכבת יותר דוגמאות אלו אינן נכונות.

בקוסמולגיה, בהתבסס על תורת היחסות הכללית, ניתן להגדיר סוגים שונים של מרחקים המבטאים כיצד משתנים גדלים מדידים (כגון גודל זוויתי ועוצמת הארה נראית) כתלות בהסחה לאדום. הפונקציות המתארות מרחקים אלו תלוית בתכולת היקום, כולל תכולת החומר (ראו גם: חומר אפל), תכולת הקרינה ותכולת האנרגיה האפלה. ניתן אם כן להגדיר למשל מרחק גודל זוויתי המבטא את המרחק של העצם כתלות בהסחה לאדום אילו קוטרו הזוויתי היה דועך כמו אחד חלקי המרחק. באופן דומה ניתן גם להגדיר מרחק הארה ועוד.

על כן ניתן לאמוד את תכולת האנרגיה האפלה (וכן המסה) של היקום ע"י מדידת ההסחה לאדום ומדידת גודל זוויתי של עצמים שאת גודלם הפיסי האמיתי אנו יודעים או ע"י מדידת עוצמת האור של עצמים שאת הארתם האמיתית אנו יודעים.

עדויות לאנרגיה אפלה

כיום ישנן הצטברות של עדויות התומכות בכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ (ראו ערך מורחב חוק האבל והתפשטות היקום) ולמעשה קצב התפשטותו המואץ הוא המקור לצורך בקיומה של האנרגיה האפלה שתרומתה לסך כל הצפיפות האנרגיה כיום משמעותית. עתה נתאר את העדויות המובילות לכך שהיקום מתפשט בקצב מואץ.

סופרנובות

עקומות האור של סופרנובות מסוג Ia הינן ניתנות לכיול כך שבקרוב טוב ניתן לעשות בהן שימוש על מנת לחשב את בהירותה המוחלטת של הסופרנובה. על כן ע"י מדידת עוצמת האור שלהן כתלות בהסחתן לאדום ניתן לאמוד את תכולת המסה והאנרגיה האפלה של היקום. סופרנובות מסוג זה נובעות מפיצוץ תרמו-גרעיני של ננס לבן אך האופן בו מובל הננס הלבן לפיצוץ מסוג זה איננו ברור. (ראו מאמר מורחב בנושא: יחידות מרחק באסטרונומיה).

בשנת 1998 שתי קבוצות אסטרונומים, באופן בלתי תלוי, עשו שימוש בתכונות ההארה של סופרנובות מטיפוס Ia על מנת לאמוד את תכולת החומר והאנרגיה האפלה של היקום. כפי שצויין, מדידות אלו מאפשרות לאמוד את תכולת היקום. המדידות הנ"ל (וכאלו שנעשו אחריהן) הראו כי כ 70% מתכולת היקום הינה כאמור אנרגיה אפלה שטיבה איננו ברור.

קרינת הרקע הקוסמית

(ראו ערכים מורחבים קרינת הרקע הקוסמית והפרעות בקרינת הרקע הקוסמית).

סוג נוסף של מדידות המאפשר את מדידת כמות המרכיבים השונים של היקום ובעיקר את סה"כ תכולת המסה והאנרגיה של היקום הוא מדידת ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית. המדידות הללו מתבססות על כך שגודלם הפיסי של ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית הינן "סרגל קוסמי" שאת גודלו אנו יכולים לחשב משיקולים פיסקלים פשוטים יחסית. השוואת הגודל הפיסי החזוי עם הגודל הזוויתי הנמדד (וידיעת ההסחה לאדום) מאפשרת לנו לחלץ את צפיפות החומר והאנרגיה של היקום.

טבע האנרגיה האפלה

טבעה של האנרגיה האפלה איננו ידוע אך קימות מספר השערות בנוגע למקורה - כיום קיימים שני מודלים מובילים: האחד הוא הקבוע הקוסמולוגי, והשני נקרא קווינטסנס (ראו הרחבה בהמשך). לשני המודלים הללו יש מכנה משותף והוא שהם מספקים ליקום מעין לחץ שלילי ועל כן דוחפים את המרחב להאיץ את קצב התפשטותו. ההגדרה הפיזיקלית של לחץ היא כח ליחידת שטח, אך כאן אין מדובר בלחץ פיזיקלי (כיוון שבהגדרה לא קיים לחץ שלילי) אלה באנלוגיה ללחץ.

הקבוע הקוסמולוגי

הקבוע הקוסמולוגי (באנגלית cosmological constant) מצויין בדרך כלל ע"י האות היוונית \Lambda. הקבוע הקוסמולוגי הינו איבר קבוע במשוואות אינשטיין שיוצר כח דוחף המתואר ע"י לחץ שלילי (במידה והוא חיובי). מודל זה של אנרגיה אפלה גורס כי צפיפות האנרגיה האפלה היא קבועה במרחב ובזמן.

אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגיה של הריק (וואקום). צפיפות האנרגית של הריק (באנגלית vacuum energy), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר. הסבר מפורט לאנרגית הריק נעוץ בתהליכים הקשורים למכניקת הקוונטים (הסבר מורחב נמצא בהמשך).

מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק. תחת ההנחה שצפיפות האנרגיה של הריק הינה קבועה, מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי הינו קבוע "אמיתי" (קרי אינו משתנה).

אנרגיה אפלה - קווינטסנס

המילה קויטנסנס (באנגלית quintessence) מגיעה מיונית עתיקה ומשמעותה היא האלמנט החמישי, ואכן אנרגיה אפלה היא מרכיב חמישי בנוסף לארבעת הגורמים האחרים המשפיעים על התפשטות היקום: קרינה, חומר אפל, חומר ניראה, ועקמומיות. מודל זה לאנרגיה אפלה גורס כי תכונותיה משתנות בזמן ובמרחב.

למעשה מה שמגדיר את הקבוע הקוסמולוגי כקבוע היא ההנחה כי כל צופה בכל מערכת קורדינטות יראה את צפיפות האנרגיה של הריק כקבועה. אך אם נוותר על ההנחה הזו נקבל כי צפיפות האנרגיה של הריק יכולה להשתנות עם הזמן. כלומר התכונות הניצפות של הריק תלויות במהירות הצופה, ומשתנות ממערכת קורדינטות אחת לשניה. על מנת שמודל זה יתאים עם התצפיות העכשויות שלנו כרגע על אנרגיה אפלה במודל זה נבחרת ההשתנות עם הזמן להיות איטית. מתארים את האנרגיה האפלה כנובע משדה סקאלרי (ההגדרה המתמטית לשדה סקאלרי היא שדה שאיננו משתנה תחת העברת קורדינטות איננו משנשאר אותו הדבר). במקרה כזה הקשר בין לחץ לצפיפות האנרגיה הוא: p=w\cdot\rho כאשר w=-1 המודל הוא של קבוע קוסמולוגי.

היסטוריה של הקבוע הקוסמולוגי

עם פירסום תורת היחסות הכללית ע"י אינשטיין ב 1915, העובדה כי היקום מתפשט לא היתה ידועה. באותה עת היה מקובל לחשוב כי היקום הינו סטטי, לא מתפשט ולא מתכווץ. אינשטיין הכניס את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות השדה של יחסות כללית מאחר והיה זקוק לאבר שיסתור את "כח המשיכה", ימנע את התכווצות היקום ויאפשר פיתרון סטטי. כעשור מאוחר יותר גילה אדווין האבל את התפשטות היקום ולא היה עוד צורך באותו קבוע קוסמולוגי. רק בשלהי המאה ה-20 חזר הקבוע הקוסמולוגי לזירה לאחר גילוי האצת התפשטות היקום ע"י שתי קבוצות בלתי תלויות שעשו שימוש בסופרנובות מטיפוס Ia כנרות סטנדרטים.

אנרגיה אפלה ויצירת מבנים ביקום

תרומתה של האנרגיה האפלה ליצירת מבנים (הילות חומר אפל וגלקסיות) ביקום (ראו: יצירת מבנים ביקום) מתוארת ע"י המשוואת הכוחות הבאה:

\frac{d^2r}{dt^2}=-\frac{GM}{r^2}+H^2_0\Omega_\Lambda r

משוואה זו מתארת את הכוחות הדומיננטים הפועלים על הפרעה כדורית לצפיפות האחידה ביקום (כלומר איזור שקצת יותר צפוף מהממוצע ביקום) בגודל r (ראו גם יצירת מבנים ביקום), כאשר הרדיוס כאן הוא רדיוס פיזיקלי (עבור יקום שטוח). המסה M הינה כלל המסה הנמצאת בתוך ההפרעה. הפרמטר H_0 הינו הפרמטר של האבל ו- \Omega_\Lambda הוא אחוז צפיפות האנרגיה האפלה מכלל צפיפות האנרגיה ביקום.

האיבר הראשון במשוואה הוא כוח הכבידה הרגיל, ואילו האיבר השני סימנו חיובי (קרי, הוא פועל נגד הגרווטציה) והוא תורם להאצת התפשטות היקום. כלומר ישנם שני כוחות הפועלים על הפרעה לצפיפות כדורית. אחד כח גרווטציה השואף לכווץ את את ההפרעה, והשני התפשטות המרחב, השואף לרווח את ההפרעה. משוואה זו מתארת את התחרות בניהם.

הפרעה אשר נכנסת עתה לאופק לא תיקרוס כתוצאה מכח הכבידה כיוון שאיבר הקבוע הקוסמולוגי "מנצח" והמרחב מתפשט מהר יותר מכפי שההפרעה יכולה לקרוס. לעומת זאת הפרעות אשר נמצאות כבר בתהליך הקריסה (קרי, מתכווצות) אינן רגישות להתפשטות היקום כל כך וממשיכות לקרוס.

בעיית האנרגיה האפלה והוואקום

בהנחה כי מקורו של הקבוע הקוסמולוגי הוא באנרגיה של הריק (ואקום), ניתן להעריך משיקולים הנובעים ממכניקת הקוונטים ואנליזת ממדים מה יהיה גודלו של הקבוע הקוסמולוגי. התוצאה המתקבלת היא כי גודלו של הקבוע הקוסמולוגי גדול בכ 120 סדרי גודל (קרי 10120) מערכו הנצפה של הקבוע הקוסמולוגי. בעיה זאת נקראת לעיתים הקטסטרופה של הואקום (באנגלית: Vacuum catastrophe) או בעיית סדרי הגודל הגדולה ביותר בפיסיקה. בעיה זו בעצם יוצרת מצב שבו יש להתאים את הפרמטרים הפיזיקלים באופן מיוחד (בכיוונון עדין) על מנת שיתאימו לתצפיות. מצב כזה בדרך כלל לא חביב על פיזיקאים כיוון שהכיוונון העדין מעיד על מועדפות של היקום שלנו או המיקום שלנו ביקום, דבר שנוגד את העיקרון הקוסמולוגי. העיקרון הקוסמולוגי אומר כי אין העדפה מיוחדת למיקום שלנו ביקום ואין מרכז ליקום, על כן, מצב המצריך תנאים מיוחדים עומד בניגוד לכך. פתרון לבעיה מוצג ע"י העיקרון האנטרופי. העיקרון הזה אומר, באופן פשטני, כי היקום נצפה כפי שהוא נצפה כך שחיים אינטלגנטים יוכלו להתקיים בו. באופן ספציפי לבעית הקבוע הקוסמולוגי, הרעיון הוא שלקבוע הקוסמולוגי ערכים שונים באיזורים שונים והערך שאנו מקבלים מתצפיות הוא הערך שכנראה צריך להיות על מנת שיתקימו חיים.

מודל אלטרנטיבי

תיקונים לתורת היחסות הכללית

מודלים שונים טוענים כי למעשה התפשטות המואצת של היקום ומדידות אנרגיה האפלה מקורן הוא למעשה בכישלון תורת היחסות הכללית על סקלות גדולות (גדולות יותר מסופר צבירי גלקסיות). למעשה כל המבחנים שנעשו לתורת היחסות הכללית התקימו בסקלות קטנות יותר, ותורת היחסות הכללית לא נבחנה על סקלות בגדלים כאלו.

הקבוע הקוסמולוגי ואנרגית הריק

כפי שנאמר לעיל: אחת הפרשנויות של הקבוע הקוסמולוגי היא כי למעשה הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק (וואקום), כאשר צפיפות האנרגית של הריק (באנגלית vacuum energy), היא אנרגיה הקיימת במרחב גם בהעדר כל חומר.

ניתן להבין את המושג הנ"ל ע"י פישוט מכניקת הקוונטים באופן הבא: נתאר את המרחב שמורכב ממערכת של כדורים מחוברים זה לזה ע"י קפיצים. למעשה באופן כזה אנו יכולים לתאר כל שדה (שדה בפיזיקה הינו פונקציה פיזיקלית המאפיינת כל נקודה במרחב-זמן), וחוזק השדה נקבע ע"י חוזק הקפיצים. כל קפיץ כזה הוא למעשה מטוטלת (אוסילטור, בלעז) הרמוני קוונטי, והשדה (והמרחב) מתוארים ע"י אוסף של מטוטלות כאילו. האנרגיה של המרחב נקבעת ע"י האנרגיה של המטוטלות. במונחים של תורת הקוונטים אנלוגיה זו מתארת את היקום וניתן לפתור בעיה זו מתמטית.

פתרון בעית מטוטלת הרמונית קוונטית מוביל לשתי מסקנות חשובות:

1. האנרגיה של מטוטלת קוונטית מקבלת ערכים בדידים בקפיצות של קבוע פלנק כפול התדירות.

2. האנרגיה של מצב היסוד, המצב בעל האנרגיה הנמוכה ביותר שונה מאפס. מתוך תיאור המרחב כאוסף של מטוטלות קוונטיות אנו מקבלים כי האנרגיה של המצב בעל רמת האנרגיה הנמוכה ביותר הוא בעל ערך שונה מאפס. אנו מזהים מצב זה כמצב יסוד של הוואקום.

מתןך עקרונות של פיזיקת חלקיקים מקבלים כי הקבוע הקוסמולוגי מייצג את צפיפות האנרגית של הריק.

ביחסות כללית קיים עקרון שאומר כי צופים במערכות קורדינטות אינרציאלית שונות יראו את אותו ריק, כלומר ע"פ ההסבר לעיל, אם לריק יש ערך השונה מאפס, וכל צופה רואה את אותו ערך, אנרגית מצב היסוד של הריק הינה קבוע של הטבע. אם עתה נוסיף את ההבנה מתוך פיזיקת החלקיקים הגורסת כי הקבוע הקוסמולוגי ואנרגית מצב היסוד של הריק חד הם, ניתן לחשוב על הקבוע הקוסמולוגי כקבוע אמיתי. למעשה הוא מתקבל כקבוע אניטגרציה במשוואות איינשטין. כלומר צפיפות האנרגיה של הוואקום היא קבועה (קרי \rho_\Lambda=constant), וניתן, באופן אנלוגי לדמות את המצב לנוזל אידיאלי בעל לחץ שלילי. כמו כו, ניתו לתאר משוואת המצב של הריק כדלכמן: P_\Lambda=-\rho_\Lambda. במקרה כזה הקשר בין הקבוע הקוסמולוגי לצפיפות האנרגיה של הריק הוא: \rho_{vac}=\rho_\Lambda=\frac{\Lambda}{8\pi G}.

כלומר צפיפות האנרגיה של הריק היא קבועה, על כן, צפיפות האנרגיה האפלה קבועה, ומכאן השם:"הקבוע הקוסמולוגי".

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית


מחברים


סמדר נאוז