Hằng số vũ trụ

Hằng số vũ trụ là một số hạng bổ sung trong các phương trình trường Einstein, tỷ lệ thuận với tenxơ metric, hoạt động như một mật độ năng lượng đồng nhất của không gian trống và thúc đẩy sự giãn nở vũ trụ tăng tốc.

Definition

Hằng số vũ trụ, ký hiệu là Lambda, là một số hạng hằng số được thêm vào các phương trình trường Einstein, đóng góp một mật độ năng lượng đồng nhất và áp suất âm có độ lớn bằng nhau vào chân không, tương đương với dạng đơn giản nhất của năng lượng tối.

Scope

Chủ đề này bao gồm dạng đại số của số hạng hằng số vũ trụ và tính nhất quán của nó với định luật bảo toàn năng lượng-động lượng, cách giải thích nó như năng lượng chân không với áp suất âm, động cơ ban đầu của Einstein về một vũ trụ tĩnh và sự rút lại sau này của ông, sự phục hồi của nó để giải thích sự giãn nở vũ trụ được quan sát, và vấn đề hằng số vũ trụ về sự khác biệt lớn của nó với các ước tính của lý thuyết trường lượng tử.

Core questions

• Tại sao một số hạng hằng số có thể được thêm vào các phương trình Einstein mà không vi phạm các định luật bảo toàn?
• Làm thế nào một hằng số vũ trụ tạo ra sự giãn nở tăng tốc thay vì giảm tốc?
• Tại sao giá trị quan sát được lại nhỏ hơn nhiều so với dự đoán của lý thuyết trường lượng tử?

Key concepts

• Số hạng Lambda
• Mật độ năng lượng chân không
• Áp suất âm
• Giãn nở tăng tốc
• Năng lượng tối
• Vấn đề hằng số vũ trụ

Key theories

Giải thích năng lượng chân không

Một hằng số vũ trụ tương đương với một mật độ năng lượng chân không đồng nhất với áp suất bằng âm của mật độ đó, do đó nó đóng góp một hiệu ứng hấp dẫn đẩy làm tăng tốc sự giãn nở của vũ trụ.

Vấn đề hằng số vũ trụ

Lý thuyết trường lượng tử dự đoán một năng lượng chân không lớn hơn hàng chục bậc độ lớn so với giá trị nhỏ được quan sát, một sự khác biệt không giải thích được là một trong những bí ẩn sâu sắc nhất kết nối hấp dẫn và vật lý lượng tử.

Clinical relevance

Các quan sát về siêu tân tinh ở xa, nền vi sóng vũ trụ và cấu trúc quy mô lớn phù hợp với một hằng số vũ trụ dương nhỏ chiếm phần lớn ngân sách năng lượng hiện tại của vũ trụ; liệu nó có phải là một hằng số thực sự hay một năng lượng tối động là một câu hỏi trung tâm của vũ trụ học quan sát.

History

Einstein đã giới thiệu Lambda vào năm 1917 để có được một vũ trụ tĩnh, sau đó từ bỏ nó sau khi Hubble phát hiện ra sự giãn nở vũ trụ, được cho là đã gọi đó là sai lầm lớn nhất của ông; nó đã trở lại một cách dứt khoát vào năm 1998 khi các cuộc khảo sát siêu tân tinh tiết lộ rằng sự giãn nở đang tăng tốc, làm sống lại hằng số này như mô hình hàng đầu của năng lượng tối.

Debates

Hằng số so với năng lượng tối động

Liệu sự tăng tốc vũ trụ là do một hằng số vũ trụ thực sự hay do một trường tiến hóa chậm (tinh túy) vẫn còn bỏ ngỏ về mặt quan sát; việc phân biệt chúng đòi hỏi đo lường chính xác cách mật độ năng lượng tối thay đổi, nếu có, theo thời gian vũ trụ.

Key figures

• Albert Einstein
• Willem de Sitter
• Sean Carroll

Seminal works

• carroll2001
• carroll2004

Frequently asked questions

Hằng số vũ trụ có giống với năng lượng tối không?

Hằng số vũ trụ là dạng đơn giản nhất có thể có của năng lượng tối, một năng lượng chân không với mật độ cố định; 'năng lượng tối' là thuật ngữ rộng hơn cũng bao gồm các mô hình động, vì vậy tất cả các hằng số vũ trụ đều là năng lượng tối nhưng không phải tất cả năng lượng tối đều nhất thiết là một hằng số.

Tại sao việc thêm hằng số này từng được gọi là một sai lầm lớn?

Einstein đã thêm nó để buộc một vũ trụ tĩnh, giả định phổ biến vào thời điểm đó; nếu ông tin tưởng các phương trình không sửa đổi, ông có thể đã dự đoán sự giãn nở vũ trụ trước khi nó được quan sát, đó là lý do tại sao sau này ông hối tiếc về động thái này, mặc dù số hạng này cuối cùng đã được chứng minh là có thật.