우주 상수

Cosmological constant
λCDM 모델에서 우주의 시간 표시 막대 스케치.연대표의 마지막 3분의 1에서 가속화된 확장은 암흑에너지가 지배하는 시대를 나타낸다.

우주론에서 아인슈타인의 우주 상수로 대칭되는 우주 상수(일반적으로 그리스 대문자 람다: λ로 표기됨)는 아인슈타인의 우주 상수라고 하는 용어의 상수 계수로서, 알버트 아인슈타인이 그의 일반 상대성 방정식에 일시적으로 추가되었다.그는 나중에 그것을 제거했다.훨씬 후에 그것은 양자역학에서 발생하는 우주의 에너지 밀도, 즉 진공 에너지로 되살아나고 재해석되었다.암흑에너지의 개념과 밀접한 관련이 있다.[1]

아인슈타인은 원래 1917년에[2] 중력의 효과를 균형 있게 조정하고 정적인 우주를 이루기 위해 상수를 도입했는데, 이것은 당시 받아들여졌던 견해였다.아인슈타인은 1931년 허블이 팽창하는 우주를 확인한 후 상수를 버렸다.[3]1930년대부터 1990년대 후반까지 대부분의 물리학자들은 우주 상수를 0으로 가정하면서 아인슈타인의 수축에 동의했다.[4]그것은 1998년 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 놀라운 발견과 함께 바뀌었고, 이는 우주 상수에 대한 양의 가치의 가능성을 암시했다.[5]

1990년대 이후, 연구들은 우주의 질량 에너지 밀도의 약 68%가 소위 암흑 에너지에 기인할 수 있다는 것을 보여주었다.[6]우주 상수 λ은 암흑에너지에 대해 가능한 가장 간단한 설명이며, cdCDM 모델로 알려진 현재의 우주론 표준모델에 사용된다.

현대 입자 물리학의 기초가 되는 양자장 이론(QFT)에 따르면 빈 공간은 양자장의 집합체진공 상태에 의해 정의된다.이 모든 양자장은 우주 어디에나 존재하는 영점 에너지로 인해 발생하는 지상 상태(가장 낮은 에너지 밀도)의 변동을 나타낸다.이러한 영점 변동은 우주 상수 Ⅱ에 대한 기여로 작용해야 하지만 계산을 수행할 때 이러한 변동은 거대한 진공 에너지를 발생시킨다.[7]양자장 이론에서 나온 이론화된 진공 에너지와 우주론에서 관측된 진공 에너지 사이의 불일치는 주요 논쟁의 근원이 되는데, 이는 "물리학 역사상 최악의 이론적 예측"[8]이라고 불린 120여 개의 관측치를 초과하여 예측된 값이다.이 문제는 우주 상수 문제로 불리며, 많은 물리학자들이 "진공이 자연을 완전히 이해하는 열쇠를 쥐고 있다"고 믿고 있는 가운데 과학에서 가장 큰 미스터리 중 하나이다.[9]

역사

아인슈타인우주 상수를 일반상대성이론에 대한 자기장 방정식에 포함시켰다. 그렇지 않으면 정적인 우주에 대해 자신의 방정식이 허락하지 않는 것에 불만족스러웠기 때문이다. 중력은 처음에 동적 평형 상태에 있던 우주를 수축시킬 것이다.아인슈타인은 이러한 가능성에 대항하기 위해 우주 상수를 추가했다.[3]그러나 아인슈타인이 정적인 이론을 개발한 직후, 에드윈 허블의 관측은 우주가 팽창하고 있는 것처럼 보인다는 것을 보여주었다; 이것은 수학자 프리드만이 발견한 최초의 일반 상대성 방정식에 대한 우주론적 해결책과 일치했다. 일반 상대성의 아인슈타인 방정식을 연구하면서.보도에 따르면 아인슈타인은 우주적 적색편향의 관측에서 증명되기 전에 이론적으로 우주의 팽창을 예측했던 그의 방정식의 검증을 받아들이지 않은 것을 그의 "가장 큰 실수"라고 언급했다고 한다.[10]

사실, 아인슈타인의 방정식에 우주 상수를 더하는 은 평형이 불안정하기 때문에 평형상태에서 정적인 우주로 이어지지 않는다: 우주가 약간 팽창한다면 팽창은 진공 에너지를 방출하게 되는데, 이것은 아직 더 많은 확장을 야기한다.마찬가지로, 약간 수축하는 우주는 계속 수축할 것이다.[11]

그러나 우주 상수는 이론적, 경험적 관심의 대상으로 남아 있었다.경험적으로 볼 때, 최근 몇 십 년 동안의 우주론 데이터의 맹공은 우리 우주가 긍정적인 우주론 상수를 가지고 있다는 것을 강하게 시사한다.[5]이 작지만 긍정적인 가치에 대한 설명은 뛰어난 이론적 도전, 이른바 우주 상수 문제다.

고전적인 통일장 이론으로 알려진 아인슈타인의 중력 이론의 일부 초기 일반화는 이론적 근거에 따른 우주 상수를 도입했거나 수학에서 자연적으로 발생했다는 것을 발견했다.예를 들어 아서 스탠리 에드딩턴 경은 진공장 방정식의 우주 상수 버전이 우주가 '자기 궤멸'하고 있다는 'epistemological' 속성을 표현했다고 주장했고, 단순한 변이 원리를 이용한 에르윈 슈뢰딩거의 순수 어프닝 이론은 우주론적 용어로 장 방정식을 생성했다.

사건순서 1915-1998

  • 1915년에 아인슈타인은 우주 상수 없이 일반 상대성 방정식을 발표한다.
  • 1917년 아인슈타인은 자신의 이론이 시간의 함수인 동적 우주를 내포하고 있다는 것을 깨닫자 그의 방정식에 변수 를 추가했다.그런 다음 그는 이 상수에게 자신의 유니버스 모델을 정적이고 영원한 것으로(아인슈타인 정적인 우주) 남기도록 강요하는 매우 특별한 가치를 부여하는데, 이것은 훗날 그가 "그의 생애 최대의 어리석음"이라고 부를 것이다.
  • 1922년 러시아 물리학자 알렉산더 프리드만은 수학적으로 아인슈타인의 방정식이 역동적인 우주에서 유효하다는 것을 보여준다.
  • 1927년 벨기에 천체물리학자 조르주 르메트르는 일반상대성이론(General Relatic)과 일부 천문학적 관측, 특히 허블(Hubble) 관측을 결합함으로써 우주가 팽창하고 있음을 보여준다.
  • 1931년 아인슈타인은 마침내 팽창하는 우주론을 받아들여 1932년 네덜란드 물리학자 윌렘 드 시터(Willem de Sitter)와 함께 제로 우주 상수(Einstein-de Sitter space-time)로 계속 팽창하는 우주의 모델(Einstein-de Sitter-time)을 제안한다.
  • 1998년 사울 펄머터가 이끄는 천체물리학자 두 팀과 브라이언 슈미트, 아담 리스가 이끄는 다른 팀은 은하수 관련 은하의 침체의 속도가 시간이 지남에 따라 증가한다는 것을 보여주는 먼 초신성에 대한 측정을 수행했다.우주는 가속화된 팽창에 있으며, 이것은 엄격히 긍정적인 를 필요로 한다.우주는 우주에 포함된 물질에 의해 생성되는 중력 제동을 상쇄시키는 반발력을 생성하는 신비한 암흑 에너지를 포함할 것이다(표준 우주론 모델 참조).
이 작품으로 펄머터(미국인), 슈미트(미국인-호주인), 리에스(미국인)가 2011년 노벨물리학상을 공동 수상했다.

방정식

우주에서 암흑 물질과 암흑 에너지의 추정 비율(우주론 상수일[1] 수도 있음)현재 물리학의 이론에 따르면 암흑에너지는 미미했던 이전의 시대와는 대조적으로 현재 우주의 가장 큰 에너지원으로 지배하고 있다.

우주 상수 아인슈타인 필드 방정식에 형태로 나타난다.

어디 리치tensor/scalar Rμν(R은 스칼라 곡률)과 미터 법 텐서 gμν 블랙 홀의 구조에 관한 묘사는stress-energy 텐서 Tμν 수 있게 그 점에서, 그리고 발생하는 중력 G의 보편적인 상수와 빛 c의 속도 환산 계수는 물질의 에너지와 운동량 밀도 및 입자 속에 대해 설명합니다.언제전통적인 측정 단위를 사용하여.Ⅱ가 0일 때 이는 20세기에 주로 사용되는 일반상대성이론의 현장 방정식으로 줄어든다.T가 0일 때, 필드 방정식은 빈 공간(진공)을 설명한다.

우주 상수는 진공의 본질적인 에너지 밀도ρvac(및 관련 압력)과 같은 효과를 가진다.이런 맥락에서, 일반적으로 수식의 오른쪽에 정의된 8π의 비례 요인:일반 상대성 이론의 단위 협약 G의( 그렇지 않으면 모든 요인과 c도 등장할 것 사용된다 Λ)8π ρvac, 이동되고 즉, Λ)8π ρvac G/c4)중력 consta의 κ은 아인슈타인의 rescaled 버전κ ρvac.nt G=.8πG = 1. λ의 참 치수는 길이인 플랑크 단위를 사용하여 에너지 밀도의 값을 여전히 "우주 상수"라는 명칭을 사용하지만 직접 인용하는 것이 일반적이다. λ의 진정한 치수는 길이다−2.

2018년Λ Ω = 0.6889±0.0056에 대해 알려진 값과 플랑크 단위를 사용하고 허블 상수0 H = 67.66±0.42(km/s)/Mpc = (2.19276±0.0136)×10초를−18 사용하여−1 λ의 값은 다음과 같다.

서 l 은(는) 플랑크 길이다.우주 상수로 인한 양의 진공 에너지 밀도는 음압을 의미하며, 그 반대의 경우도 마찬가지다.만약 에너지 밀도가 양의 값이라면, 관련 음압은 관찰된 바와 같이 우주의 가속적인 확장을 촉진할 것이다.(자세한 내용은 암흑 에너지우주 인플레이션을 참조하십시오.)

ΩΛ(오메가 서브 람다)

우주 상수 그 자체 대신에 우주론자들은 종종 우주 상수와 우주의 임계 밀도로 인한 에너지 밀도 사이의 비율을 언급하는데, 이것은 우주가 영원히 팽창하는 것을 막기 위한 충분한 밀도의 티핑 포인트다.이 비율은 보통 Ω으로Λ 표시되며 플랑크 협업이 2018년에 발표한 결과에 따르면 0.6889±0.0056으로 추정된다.[12]

평탄한 우주에서 ΩΛ 우주 상수, 즉 암흑 에너지로 이루어진 우주의 분수를 직관적으로 일컫는 것이다.이 값은 시간이 지남에 따라 변경된다는 점에 유의하십시오.임계 밀도는 우주 시간에 따라 변하지만 우주 상수에 의한 에너지 밀도는 우주 역사 전반에 걸쳐 변하지 않는다. 왜냐하면 우주가 성장함에 따라 암흑 에너지의 양이 증가하지만 물질의 양은 증가하지 않기 때문이다.[citation needed]

상태 방정식

과학자들이 사용하는 또 다른 비율은 보통 w로 표기되는 상태 방정식인데, 이것은 암흑 에너지가 우주에 가하는 압력 대 단위 부피 당 에너지의 비율이다.[13]이 비율은 아인슈타인 방정식에 사용된 우주 상수에 대해 w = -1이다; 5중주와 같은 진공 에너지의 대체 시간 변화 형태는 일반적으로 다른 값을 사용한다.Planck Collaboration(2018)[12]에서 측정한 w = -1.028±0.032 값은 w가 우주 시간에 걸쳐 변하지 않는다고 가정할 때 -1과 일치한다.

양의 값

람다-CDM, 우주 팽창 가속화이 도식도의 시간선은 빅뱅/인플레이션 시대 13.7년 전에서 현재의 우주 시간까지 확장된다.

1998년에 발표된 타입 Ia 초신성[5] 거리-적색-임시적 관계에 대한 관측은 우주의 확장이 가속화되고 있음을 보여주었다.우주 마이크로파 배경 방사선의 측정과 결합했을 때, 이것들은 0Λ.7Ω의 값을 내포했고,[14] 그 결과는 더 최근의 측정에 의해 지지되고 정제되었다.[15]우주가 가속하는 다른 가능한 원인들, 예를 들어 5중주 같은 것들이 있지만, 우주 상수는 대부분의 측면에서 가장 간단한 해결책이다.따라서 현재 우주론의 표준 모델인 람다-CDM 모델10m−52−2 순서로 측정되는 우주 상수를 미터 단위로 포함한다.흔히 10초−35−2(c2 곱하여 10m³172−2) 또는 10−122㎛(플랑크 길이의 제곱 단위, 즉 10mP−2−702)로 표현된다.The value is based on recent measurements of vacuum energy density, .[17]

최근에야 보았듯이, 't 후프트, 서스킨드' 등의 작품에서, 양의 우주 상수는 관측 가능한 우주의 유한한 최대 엔트로피와 같은 놀라운 결과를 가져온다(홀로그래피 원리 참조).[18]

예측

양자장 이론

물리학의 미해결 문제:

왜 양자진공의 영점 에너지는 큰 우주 상수를 일으키지 않는가?무엇이 그것을 취소하는가?

중요한 문제는 대부분의 양자장 이론양자 진공에 대한 엄청난 가치를 예측한다는 것이다.일반적인 가정은 양자 진공이 우주 상수와 동등하다는 것이다.이러한 가정을 뒷받침하는 이론은 존재하지 않지만, 그 이론에 유리한 주장이 나올 수 있다.[19]

그러한 주장은 대개 치수 분석유효장 이론에 기초한다.만약 우주가 플랑크 스케일로 내려가는 효과적인 국소 양자장 이론에 의해 설명된다면 는 축소된 플랑크 단위에서 p l 2 {\M_}^{2}}( 1)의 순서에 따른 우주 상수를 기대할 것이다.위에서 언급한 바와 같이, 측정된 우주 상수는 ~10의120 계수만큼 이것보다 작다.이 불일치는 "물리학 역사상 최악의 이론적 예측!"[8]이라고 불려왔다.

일부 초대칭 이론은 정확히 0인 우주 상수를 요구하므로 사물을 더욱 복잡하게 한다.이것은 우주 상수 문제인데, 물리학에서 미세 조정의 가장 큰 문제인, 입자 물리학에서 우주론에서 사용되는 작은 우주 상수를 도출할 수 있는 알려진 자연적인 방법은 없다.

끈 이론 풍경의 어떤 진공도 측정이 가능한 양의 우주론 상수를 지지하는 것으로 알려져 있지 않으며, 2018년에 네 명의 물리학자들이 그러한 우주가 존재하지 않는다는 것을 암시하는 논란의 여지가 있는 추측을 진전시켰다.[20]

인류 원리

작지만 영이 아닌 값에 대한 하나의 가능한 설명은 1987년 스티븐 와인버그인류학 원리를 따라 한 것이다.[21]만일 진공 에너지가 우주의 다른 영역에서 다른 값을 취한다면 관측자들은 반드시 관측되는 값과 유사한 값을 측정할 것이다: 진공 에너지가 훨씬 큰 영역에서는 생명 유지 구조의 형성이 억제될 것이다.특히 진공 에너지가 음이고 그 절대값이 관측된 우주에서 보이는 것보다 실질적으로 더 크며, 다른 모든 변수(예를 들어 물질 밀도)를 일정하게 유지한다면, 이는 우주가 닫혔다는 것을 의미하며, 나아가 그 수명은 우리 우주의 나이보다 짧을 것이다.어쩌면 지능적인 생명체가 형성하기에는 너무 짧을 수도 있다.반면에 양의 우주 상수가 큰 우주는 너무 빨리 팽창하여 은하 형성을 방해할 것이다.와인버그에 따르면 진공 에너지가 생명과 호환되는 영역은 상대적으로 드물 것이다.웨인버그는 이 주장을 이용하여 우주 상수가 현재 수용된 값의 백 배도 안 되는 값을 가질 것이라고 예측했다.[22]1992년 웨인버그는 우주 상수의 예측을 물질 밀도의 5배에서 10배 정도로 다듬었다.[23]

이 주장은 암흑 에너지가 우주 상수인 경우 예상할 수 있듯이 진공 에너지 밀도의 분포의 변화(공간 또는 다른 것)의 부족에 따라 달라진다.진공 에너지가 다양하다는 증거는 없지만, 예를 들어 진공 에너지가 잔류 인플레톤과 같은 스칼라 장의 잠재력(부분적으로도)인 경우일 수 있다(정분율도 참조).이 문제를 다루는 또 다른 이론적 접근방식은 다중우주의 이론으로 물리학 법칙 및/또는 기본 상수 값을 달리하는 다수의 "병행적" 우주를 예측하는 것이다.다시 말하지만, 인류학적 원리는 우리는 어떤 형태의 지적 생명체와 양립할 수 있는 우주들 중 하나에서만 살 수 있다고 말한다.비평가들은 이러한 이론들이 미세 조정의 설명으로 사용될 때 역도박사의 오류를 범한다고 주장한다.

1995년, 알렉산더 빌렌킨에 의해, 물질 밀도의 10배에 불과한 우주 상수의 값,[24] 즉 결정 이후 현재 값의 약 3배를 예측하기 위해 와인버그의 주장이 정제되었다.

암흑 에너지 감지 실패

실험실에서 암흑 에너지를 직접 관찰하려는 시도는 새로운 힘을 감지하는 데 실패했다.[25]비록 현재의 분석은 선형 섭동체에서만 도출되었지만 우주 마이크로파 배경에서 바이론과의 상호작용을 통해 암흑에너지의 존재를 유추하는 것 또한 부정적인 결과를 가져왔다.[26]

참고 항목

참조

각주

  1. ^ a b 암흑에너지는 정적인 우주 상수에 의해 설명되거나, 이 신비한 에너지는 전혀 일정하지 않고 시간이 지남에 따라 변했다는 것은 당연할 수 있는데, 를 들면 다음과 같다.
    • "물리학은 우주에 아인슈타인의 우주 상수인 λ에 근접한 중력 효과가 있는 에너지를 포함하고 있다는 생각을 불러 일으킨다. 오늘날 그 개념은 암흑 에너지 또는 5중주라고 불린다.피블스 & 라트라(2003), 페이지 1
    • "그렇다면 우주 유체는 일종의 환상적 에너지 밀도에 의해 지배되고 있는 것으로 보일 것이고, 그것은 부정적인 압력을 가지고 있으며, 오늘날 막 중요한 역할을 하기 시작했다.우주 상수( (水)나 5중주(Q)와 같은 암흑에너지 요소에 기초한 우주론적 모델들이 유력한 후보임에도 불구하고, 아직 이러한 상황을 설명하기 위한 설득력 있는 이론은 만들어지지 않았다."콜드웰(2002), 페이지 2
  2. ^ 아인슈타인 (1917년)
  3. ^ a b Rugh & Zinkernagel(2001), 페이지 3
  4. ^ 0 값을 갖는다고 생각되는 우주 상수에 대해서는 다음을 참조하십시오.
    • + + / 8 \right\langle \rho \rig에 대한 우주론적 상한이 입자 이론에서 예상한 값보다 훨씬 작았기 때문에 대부분의 입자 이론가들은 단순히 이 양이 0이라고 추측했다.와인버그(1989), 페이지 3
    • "Enonzero라는 관측을 설득함으로써 획기적인 천문학적 발견이 이루어질 것이다." 캐롤, 프레스 & 터너(1992) 페이지 500
    • "1998년 이전에는 Ⅱ에 대한 직접적인 천문학적 증거가 없었고 관측 상한이 너무 강했기 때문에(Ⅱ < 10-120 플랑크 단위) 입자 물리학자들은 어떤 근본적인 원리가 그 값을 정확히 0으로 강요해야 한다고 의심했다."바로우앤쇼(2011), 페이지 1
    • "다른 유일한 자연 값은 λ = 0이다. 만약 λ이 정말로 작지만 0이 아니라면, 그것은 발견될 물리학에 가장 자극적이지만 수수께끼 같은 단서를 더한다."피블스 & 라트라(2003), 페이지 333
  5. ^ a b c 예를 참조하십시오.
  6. ^ 레드드(2013년)
  7. ^ Rugh & Zinkernagel(2001), 페이지 1
  8. ^ a b 예를 참조하십시오.
    • "이것은 우주론적 관측에 의해 설정된 Ⅱ의 상한보다 더 높은 약 120개의 질량의 답을 준다.이것은 아마도 물리학 역사상 최악의 이론적 예측일 것이다!"홉슨, 에프스타티우 & 라센비(2006), 페이지 187
    • "이것은 우리가 나중에 보게 되겠지만, 관측에 의해 허용된 것보다 대략 120배 더 큰 규모다." 캐롤, 프레스 & 터너(1992) 페이지 503
    • "우주 상수에 대한 이론적 기대치는 관측 한계를 120여 차례나 초과한다."와인버그(1989), 페이지 1
  9. ^ 예를 참조하십시오.
    • 데이비스(1985), 페이지 104
    • "우주 상수를 설명하는 이론적 문제는 이론 물리학의 가장 큰 난제 중 하나이다.λ을 이해하기 전에 완전히 발전된 양자 중력 이론(아마도 슈퍼스트링 이론)이 필요할 것이다." 홉슨, 에프스타티우 & 라센비(2006), 페이지 188
  10. ^ 아인슈타인이 우주 상수를 자신의 "가장 큰 실수"라고 불렀는지에 대한 논란이 있는데, 모든 언급은 한 사람에게서 추적되었다.조지 가모우. (가모우(1956, 1970) 참조)예를 들면 다음과 같다.
    • "우주물리학자이자 작가인 마리오 리비오는 아인슈타인의 입(또는 그 문제에 있어서 그의 펜)에 그런 말을 집어넣는 문서를 찾을 수 없다.대신에, 모든 언급은 결국, 아인슈타인이 이 문구를 두 가지 출처에서 사용했다고 보고한, 물리학자 조지 가모우라는 한 남성으로 귀결된다.그의 사후에 출간된 자서전 마이 월드 라인(1970년)과 1956년 9월부터 사이언티픽 아메리칸(Scientific American) 기사."로젠(2013년)
    • " 아인슈타인이 특히 가모프에게 그런 말을 했다는 것 또한 꽤 그럴듯하다는 것을 알게 된다.우리는 아인슈타인이 우주 상수의 도입을 심각한 오류로 보게 되었고, 적어도 한 번은 '가장 큰 실수'라는 용어를 라벨로 붙였을 가능성이 매우 높다고 결론짓는다.오라이파르타리 & 미튼 (2018), 페이지 1
  11. ^ 라이든(2003년), 페이지 59
  12. ^ a b 플랑크 협업(2018년)
  13. ^ 브룸피엘(2007) 페이지 246
  14. ^ 예: 참조베이커 외 연구진(1999)
  15. ^ Planck Collaboration(2015a), 페이지 27의 표 9를 참조하십시오.
  16. ^ 바로 & 쇼 (2011년)
  17. ^ Planck Collaboration(2015b) 허블 상수와 }}을를) 기반으로 계산됨
  18. ^ 다이슨, 클레반 & 서스킨드(2002)
  19. ^ Rugh & Zinkernagel (2001), 페이지 ?
  20. ^ Wolchover, Natalie (9 August 2018). "Dark Energy May Be Incompatible With String Theory". Quanta Magazine. Simons Foundation. Retrieved 2 April 2020.
  21. ^ 와인버그 (1987년)
  22. ^ 빌렌킨(2006), 페이지 138–139
  23. ^ 와인버그(1992), 페이지 182
  24. ^ 빌렌킨(2006), 페이지 146
  25. ^ D. O. Sabulsky; I. Dutta; E. A. Hinds; B. Elder; C. Burrage; E. J. Copeland (2019). "Experiment to Detect Dark Energy Forces Using Atom Interferometry". Physical Review Letters. 123 (6): 061102. arXiv:1812.08244. Bibcode:2019PhRvL.123f1102S. doi:10.1103/PhysRevLett.123.061102. PMID 31491160. S2CID 118935116.
  26. ^ S. Vagnozzi; L. Visinelli; O. Mena; D. Mota (2020). "Do we have any hope of detecting scattering between dark energy and baryons through cosmology?". Mon. Not. R. Astron. Soc. 493 (1): 1139. arXiv:1911.12374. Bibcode:2020MNRAS.493.1139V. doi:10.1093/mnras/staa311.

참고 문헌 목록

제1차 문헌

2차 문헌: 뉴스, 대중 과학 기사 & 책

제2차 문헌: 검토 기사, 단문 및 교과서

외부 링크