ค่าคงที่จักรวาล

ค่าคงที่จักรวาลเป็นพจน์พิเศษในสมการสนามของไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับเมตริก และมีพฤติกรรมคล้ายความหนาแน่นพลังงานที่สม่ำเสมอของอวกาศว่างเปล่า และขับเคลื่อนการขยายตัวของจักรวาลที่เร่งขึ้น

Definition

ค่าคงที่จักรวาล ซึ่งแทนด้วยแลมบ์ดา (Lambda) เป็นพจน์คงที่ที่เพิ่มเข้าไปในสมการสนามของไอน์สไตน์ ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดความหนาแน่นพลังงานที่สม่ำเสมอและความดันเป็นลบที่มีขนาดเท่ากันในสุญญากาศ เทียบเท่ากับรูปแบบที่ง่ายที่สุดของพลังงานมืด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมรูปแบบพีชคณิตของพจน์ค่าคงที่จักรวาลและความสอดคล้องกับการอนุรักษ์โมเมนตัมพลังงาน การตีความว่าเป็นพลังงานสุญญากาศที่มีความดันเป็นลบ แรงจูงใจดั้งเดิมของไอน์สไตน์สำหรับจักรวาลสถิตและการถอนคำพูดในภายหลัง การฟื้นคืนชีพเพื่ออธิบายการเร่งตัวของจักรวาลที่สังเกตได้ และปัญหาค่าคงที่จักรวาลของความคลาดเคลื่อนอย่างมหาศาลกับการประมาณการทฤษฎีสนามควอนตัม

Core questions

• เหตุใดจึงสามารถเพิ่มพจน์คงที่ลงในสมการของไอน์สไตน์ได้โดยไม่ละเมิดกฎการอนุรักษ์?
• ค่าคงที่จักรวาลทำให้เกิดการขยายตัวแบบเร่งขึ้นได้อย่างไร แทนที่จะเป็นการขยายตัวแบบชะลอลง?
• เหตุใดค่าที่สังเกตได้จึงน้อยกว่าที่ทฤษฎีสนามควอนตัมทำนายไว้มาก?

Key concepts

• พจน์แลมบ์ดา
• ความหนาแน่นพลังงานสุญญากาศ
• ความดันเป็นลบ
• การขยายตัวแบบเร่ง
• พลังงานมืด
• ปัญหาค่าคงที่จักรวาล

Key theories

การตีความพลังงานสุญญากาศ

ค่าคงที่จักรวาลเทียบเท่ากับความหนาแน่นพลังงานสุญญากาศที่สม่ำเสมอ โดยมีความดันเท่ากับค่าลบของความหนาแน่นนั้น ดังนั้นจึงมีผลกระทบแรงโน้มถ่วงแบบผลักที่เร่งการขยายตัวของจักรวาล

ปัญหาค่าคงที่จักรวาล

ทฤษฎีสนามควอนตัมทำนายพลังงานสุญญากาศที่มีขนาดใหญ่กว่าค่าที่สังเกตได้เล็กน้อยหลายสิบอันดับความแตกต่าง ซึ่งเป็นความคลาดเคลื่อนที่ยังไม่สามารถอธิบายได้ และเป็นหนึ่งในปริศนาที่ลึกซึ้งที่สุดที่เชื่อมโยงแรงโน้มถ่วงและฟิสิกส์ควอนตัม

Clinical relevance

การสังเกตการณ์ซูเปอร์โนวาที่อยู่ห่างไกล พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล และโครงสร้างขนาดใหญ่ สอดคล้องกับค่าคงที่จักรวาลที่เป็นบวกขนาดเล็กซึ่งประกอบเป็นส่วนใหญ่ของงบประมาณพลังงานปัจจุบันของจักรวาล ไม่ว่าจะเป็นค่าคงที่ที่แท้จริงหรือพลังงานมืดแบบพลวัต เป็นคำถามสำคัญของจักรวาลวิทยาเชิงสังเกตการณ์

History

ไอน์สไตน์ได้นำเสนอค่าแลมบ์ดาในปี 1917 เพื่อให้ได้จักรวาลสถิต จากนั้นได้ละทิ้งไปหลังจากการค้นพบการขยายตัวของจักรวาลโดยฮับเบิล ซึ่งมีรายงานว่าเขาเรียกว่าเป็นความผิดพลาดครั้งใหญ่ที่สุดของเขา อย่างไรก็ตาม ค่านี้ได้กลับมามีความสำคัญอีกครั้งในปี 1998 เมื่อการสำรวจซูเปอร์โนวาเผยให้เห็นว่าการขยายตัวกำลังเร่งขึ้น ทำให้ค่าคงที่นี้กลับมาเป็นแบบจำลองชั้นนำของพลังงานมืด

Debates

ค่าคงที่เทียบกับพลังงานมืดแบบพลวัต

ไม่ว่าการเร่งตัวของจักรวาลเกิดจากค่าคงที่จักรวาลที่แท้จริงหรือจากสนามที่ค่อยๆ พัฒนา (ควินเทสเซนส์) ยังคงเป็นคำถามที่เปิดกว้างในเชิงสังเกตการณ์ การแยกแยะความแตกต่างระหว่างสองสิ่งนี้จำเป็นต้องมีการวัดที่แม่นยำว่าความหนาแน่นของพลังงานมืดเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร หากมีการเปลี่ยนแปลง ตลอดช่วงเวลาของจักรวาล

Key figures

• Albert Einstein
• Willem de Sitter
• Sean Carroll

Seminal works

• carroll2001
• carroll2004

Frequently asked questions

ค่าคงที่จักรวาลเหมือนกับพลังงานมืดหรือไม่?

ค่าคงที่จักรวาลเป็นรูปแบบที่ง่ายที่สุดของพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานสุญญากาศที่มีความหนาแน่นคงที่ 'พลังงานมืด' เป็นคำที่กว้างกว่าซึ่งรวมถึงแบบจำลองพลวัตด้วย ดังนั้นค่าคงที่จักรวาลทั้งหมดจึงเป็นพลังงานมืด แต่พลังงานมืดทั้งหมดไม่จำเป็นต้องเป็นค่าคงที่

เหตุใดการเพิ่มค่าคงที่นี้จึงเคยถูกเรียกว่าเป็นความผิดพลาด?

ไอน์สไตน์เพิ่มค่านี้เพื่อบังคับให้จักรวาลเป็นสถิต ซึ่งเป็นสมมติฐานที่แพร่หลายในขณะนั้น หากเขาเชื่อสมการที่ไม่ได้แก้ไข เขาอาจทำนายการขยายตัวของจักรวาลได้ก่อนที่จะมีการสังเกต ซึ่งเป็นเหตุผลที่เขาเสียใจกับการกระทำนั้นในภายหลัง แม้ว่าพจน์ดังกล่าวจะพิสูจน์แล้วว่าเป็นจริงในที่สุดก็ตาม