ثابت كوني

أضاف آينشتاين الثابت الكوني كثابت في معادلات المجال الخاصة به في النسبية العامة لعدم رضاه عن حقيقة أن معادلاته لم تسمح، على ما يبدو، بوجود كون ساكن دون إضافة الثابت الكوني: إذ ستجعل الجاذبية الكون، الذي كان في البداية في حالة توازن ديناميكي، ينكمش. لمواجهة هذا الاحتمال، أضاف آينشتاين الثابت الكوني. مع ذلك، بعد وقت قصير من تطويره لنظريته عن الكون الساكن، أظهرت عمليات رصد «إدوين هابل» أن الكون يتوسع؛ كان هذا متسقًا مع الحل الكوني لمعادلات النسبية العامة الأصلية التي وجدها عالم الرياضيات «ألكسندر فريدمان»، الذي كان يعمل على حل معادلات آينشتاين في النسبية العامة. يُقال أن أينشتاين أشار إلى إخفاقه في قبول تصحيح معادلاته - عندما تنبأت بتوسع الكون من الناحية النظرية، قبل أن يتجلى ذلك في عمليات رصد الانزياح نحو الأحمر الكوني – واصفًا إياه بـ «خطأه الفادح الأكبر ».

في الواقع، لا تؤدي إضافة الثابت الكوني إلى معادلات آينشتاين إلى كون ساكن في حالة توازن لأن ذلك التوازن غير مستقر: إذا توسع الكون قليلًا، فسيطلق هذا التوسع طاقة فراغ، ما يسبب المزيد من التوسع. وبالمثل، فإن الكون الذي ينكمش قليلًا سوف يستمر بالانكماش.[4]

ومع ذلك، بقي الثابت الكوني موضع اهتمام نظري وتجريبي. من الناحية التجريبية، يقترح التعارض القوي للبيانات الكونية في العقود الماضية إلى أن كوننا يتمتع بثابت كوني موجب القيمة. يمثل تفسير هذه القيمة الصغيرة ولكن الموجبة تحديًا نظريًا بارزًا، وهو ما يسمى بمشكلة الثابت الكوني.

قامت بعض التعميمات المبكرة لنظرية آينشتاين للجاذبية، والمعروفة باسم «نظريات التوحيد الكبير الكلاسيكية»، إما بإضافة ثابت كوني على أُسس نظرية أو وجدت أنه نشأ بشكل طبيعي في الحلول الرياضية. على سبيل المثال، ادعى السير «آرثر ستانلي إدينغتون» أن نسخة الثابت الكوني لمعادلة مجال الفراغ تعبر عن الخاصية «المعرفية» بأن الكون هو «ذو مقياس ذاتي»، كما أنتجت نظرية «إروين شرودنج » التآلفية النقية باستخدام مبدأ تغايري بسيط المعادلة الحقلية مع حد كوني.

يظهر الثابت الكوني Λ معادلة اينشتين المعدلة على:

${\displaystyle R_{\mu \nu }-{\textstyle 1 \over 2}R\,g_{\mu \nu }+\Lambda \,g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }}$

حيثR وg تعبر عن بنية زمكان، T تعبر عن المادة والطاقة، وG وc هي معاملات تحويل أو ثوابت مستخدمة في القياسات التقليدية. عندما Λ تكون بصفر يمكن اختصار المعادلة إلى معادلة المجال للنسبية العامة. عندما تكون T مساوية للصفر فإن معادلة المجال تصف الفضاء الخالي (الفراغ).

أشارت عمليات الرصد المُعلن في عام 1998 عن العلاقة بين المسافة والانزياح نحو الأحمر للمستعرات العظمى من النوع الأول إيه إلى أن توسع الكون يتسارع. عندما جمع ذلك بقياسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، فإنها تشير إلى قيمة لأوميغا لامبدا تساوي 0.7 تقريبًا، وهي نتيجة دُعمت وأُكِدت بواسطة القياسات الأكثر حداثة. هناك أسباب محتملة أخرى لتفسير الكون المتسارع، مثل حقل العنصر الخامس، لكن الثابت الكوني هو الحل الأبسط في معظم النواحي. وبالتالي، يتضمن النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات، أي نموذج لامبدا سي دي إم، الثابت الكوني، الذي يساوي 10-52 متر-2 في الوحدات المترية. يُعبر عنه غالبًا بقيمة 10-35 ثانية-2 (عن طريق ضرب تلك القيمة بمربع سرعة الضوء، أي نحو 1017 متر2 ثانية-2) أو بقيمة 10-122 (عن طريق الضرب بمربع طول بلانك، أي نحو 10-70 متر2) في أنظمة الوحدات الأخرى. تستند القيمة على القياسات الحديثة لكثافة طاقة الفراغ، التي تساوي 5.96*10-24 كيلوجرام/متر3، أو 10-47 جيجا إلكترون فولت4، أو 5.96*10-30 غرام/سنتيمتر3 في أنظمة الوحدات الأخرى.[7][8][9]

كما لوحظ مؤخرًا، من خلال أعمال «هوفت» و«سسكيند» وغيرهما، فإن الثابت الكوني الموجب له عواقب مفاجئة، مثل وجود قيمة قصوى محدودة من الإنتروبيا في الكون المرصود.[10]

المشكلة الرئيسية الكبيرة هي أن معظم نظريات الحقل الكمومي تتنبأ بقيمة ضخمة للفراغ الكمومي. يقترح الافتراض الشائع أن الفراغ الكمومي يعادل الثابت الكوني. على الرغم من عدم وجود نظرية تدعم هذا الافتراض، يمكن تقديم بعض حجج لدعمه.

تستند هذه الحجج عادة على تحليل بعدي ونظرية الحقل الفعال. إذا وُصف الكون من خلال نظرية مجال كموي محلي فعال حتى مقياس بلانك، فإننا نتوقع ثابتًا كونيًا يساوي مربع كتلة بلانك (6*1054 إلكترون فولت2 في الوحدات الطبيعية أو 1 في وحدات بلانك المخفضة). كما ذُكر أعلاه، يكون الثابت الكوني المُقاس أصغر من هذا بعامل 10-120. وهو تناقض أطلِق عليه لقب «أسوأ تنبؤ نظري في تاريخ الفيزياء!».

• النظرية النسبية العامة

• بوابة الفضاء
• بوابة الفيزياء
• بوابة المجموعة الشمسية
• بوابة رحلات فضائية
• بوابة علم الفلك
• بوابة علم الكون
• بوابة علوم
• بوابة نجوم