Ultima aniversare a lui Einstein marchează nașterea cosmologiei moderne

Prima din două părți

Uneori se pare că fiecare an oferă o ocazie de a sărbători un fel de aniversare a lui Einstein.

În 2015, toată lumea a lăudat cea de-a 100-a aniversare a teoriei sale generale a relativității. Anul trecut, oamenii de știință au sărbătorit centenarul predicției sale asupra undelor gravitaționale – raportând descoperirea undelor gravitaționale. Și anul acesta marchează centenarul lucrării lui Einstein care stabilește nașterea cosmologiei moderne.

Înainte de Einstein, cosmologia nu era deloc modernă. Majoritatea oamenilor de știință au evitat-o. A fost privită ca o chestiune pentru filozofi sau eventual teologi. Ai putea să faci cosmologie fără să știi nici măcar matematică.

Dar Einstein a arătat cum matematica relativității generale ar putea fi aplicată sarcinii de a descrie cosmosul. Teoria lui a oferit o modalitate de a studia cosmologia cu precizie, cu o bază fizică și matematică fermă. Einstein a oferit rețeta pentru transformarea cosmologiei din speculație într-un domeniu de studiu științific.

„Nu există nicio îndoială că lucrarea lui Einstein din 1917… a pus bazele cosmologiei teoretice moderne”, scriu fizicianul irlandez Cormac O’Raifeartaigh și colegii săi într-o nouă analiză a acelei lucrări.

Einstein se gândise la implicațiile noii sale teorii pentru cosmologie chiar înainte de a o termina. Relativitatea generală a fost, la urma urmei, o teorie a spațiului și a timpului – toate acestea. Einstein a arătat că gravitația – forța motrice care sculptează arhitectura cosmică – a fost pur și simplu o distorsiune a geometriei spațiu-timp generată de prezența masei și a energiei. (El a construit o ecuație pentru a arăta cum geometria spațiu-timp, pe partea stângă a ecuației, a fost determinată de densitatea energiei-masă, partea dreaptă.) Deoarece spațiu-timp și energia-masă reprezintă practic totul, întregul cosmos ar trebui să se comportă ca o ecuație a relativității generale cerută.

Legea gravitației lui Newton ridicase probleme în acest sens. Dacă fiecare masă a atras orice altă masă, așa cum proclamase Newton, atunci toată materia din univers ar fi trebuit să se prăbușească într-un singur pată mare. Newton a sugerat că universul este infinit, plin de materie, astfel încât atracția spre interior era echilibrată de atracția materiei mai departe. Totuși, nimeni nu a cumpărat cu adevărat această explicație. În primul rând, a necesitat un aranjament cu adevărat precis: o stea deplasată, iar echilibrul atracțiilor dispare și universul se prăbușește. De asemenea, a necesitat o infinitate de stele, făcând imposibil de explicat de ce este întuneric noaptea. (Ar fi o stea acolo de-a lungul fiecărei linii de vedere în orice moment.)

Einstein a sperat că teoria sa asupra gravitației va rezolva paradoxurile cosmice ale gravitației newtoniene. Așadar, la începutul anului 1917, la mai puțin de un an după ce lucrarea sa completă despre teoria generală a fost publicată, el a trimis o scurtă lucrare Academiei Prusace de Științe subliniind implicațiile teoriei sale pentru cosmologie.

În lucrarea respectivă, intitulată „Considerații cosmologice în teoria generală a relativității”, el a început prin a remarca problemele pe care le ridică utilizarea gravitației lui Newton pentru a descrie universul. Einstein a arătat că gravitația lui Newton ar necesita o insulă finită de stele așezate într-un spațiu infinit. Dar, în timp, o astfel de colecție de stele s-ar evapora. Această problemă ar putea fi evitată, totuși, dacă universul s-ar dovedi a nu fi infinit. În schimb, a spus Einstein, totul ar fi bine dacă universul este finit. Mare, sigur, dar curbată în așa fel încât s-a închis pe sine, ca o sferă.

Provocarea matematică a lui Einstein a fost să arate că un astfel de spațiu-timp cosmic finit ar fi static și stabil. (În acele vremuri nimeni nu știa că universul se extinde.) El a presupus că, la o scară suficient de mare, distribuția materiei în acest univers ar putea fi considerată uniformă. (Einstein a spus că a fost ca și cum ar fi privit Pământul ca o sferă netedă pentru majoritatea scopurilor, chiar dacă terenul său este plin de complexități la scări de distanțe mai mici.) Efectul materiei asupra curburii spațiu-timpului ar fi, prin urmare, aproape constant, iar starea generală a universului ar fi neschimbată.

Toate acestea aveau sens pentru Einstein, deoarece avea o viziune limitată asupra a ceea ce se întâmplă de fapt în cosmos. La fel ca mulți oameni de știință din acele vremuri, el credea că universul era practic doar galaxia Calea Lactee. Toate stelele cunoscute s-au mișcat destul de încet, în concordanță cu credința sa într-un cosmos sferic cu masă uniform distribuită. Din păcate, matematica relativității generale nu a funcționat dacă acesta era cazul – a sugerat că universul nu ar fi stabil. Einstein și-a dat seama, totuși, că viziunea sa asupra universului sferic static ar avea succes dacă ar adăuga un termen la ecuația sa originală.

De fapt, au existat motive întemeiate pentru a include termenul oricum. O’Raifeartaigh și colegii subliniază că în lucrarea sa anterioară despre relativitatea generală, Einstein a remarcat într-o notă de subsol că ecuația sa permitea din punct de vedere tehnic includerea unui termen suplimentar. Asta părea să nu conteze la momentul respectiv. Dar în lucrarea sa de cosmologie, Einstein a descoperit că acesta era exact lucrul de care ecuația lui avea nevoie pentru a descrie universul în mod corespunzător (așa cum a presupus atunci Einstein că este universul). Așa că a adăugat acel factor, desemnat de litera greacă lambda, în partea stângă a ecuației sale de bază a relativității generale.

„Acest termen este necesar doar în scopul de a face posibilă o distribuție cvasistatică a materiei, așa cum este cerut de faptul că vitezele mici ale stelelor”, a scris Einstein în lucrarea sa din 1917. Atâta timp cât amploarea acestui nou termen din partea geometriei ecuației a fost suficient de mică, nu ar modifica predicțiile teoriei pentru mișcările planetare din sistemul solar.

Lucrarea lui Einstein din 1917 a demonstrat eficacitatea matematică a lambdei (numită și „constantă cosmologică”), dar nu a spus prea multe despre interpretarea sa fizică. Într-o altă lucrare, publicată în 1918, el a comentat că lambda reprezintă o densitate de masă negativă – a jucat „rolul de gravitație a maselor negative care sunt distribuite în tot spațiul interstelar”. Masa negativă ar contracara gravitația atractivă și ar împiedica colapsul întregii materie din universul sferic finit al lui Einstein.

După cum știe toată lumea acum, totuși, nu există niciun pericol de colaps, deoarece universul nu este static de la început, ci mai degrabă se extinde rapid. După ce Edwin Hubble a stabilit o astfel de expansiune, Einstein a abandonat lambda ca fiind inutilă (sau cel puțin, a stabilit-o egală cu zero în ecuația sa). Alții au construit pe fundația lui Einstein pentru a obține matematica necesară pentru a da sens descoperirii lui Hubble, conducând în cele din urmă la viziunea modernă a unui univers în expansiune inițiat de o explozie Big Bang.

Dar în anii 1990, astronomii au descoperit că universul nu numai că se extinde, ci se extinde într-un ritm accelerat. O astfel de accelerare necesită o forță motrice misterioasă, supranumită „energie întunecată”, care exercită o presiune negativă în spațiu. Mulți experți cred că constanta cosmologică a lui Einstein, interpretată acum ca o cantitate constantă de energie cu presiune negativă care infuzează tot spațiul, este adevărata identitate a energiei întunecate.

Poate că Einstein nu a fost surprins de toate acestea. Și-a dat seama că doar timpul va spune dacă lambda lui va dispărea la zero sau va juca un rol în mișcările cerului. După cum îi scria în 1917 fizicianului-astronom olandez Willem de Sitter: „Într-o zi, cunoștințele noastre actuale despre compoziția cerului cu stele fixe, mișcările aparente ale stelelor fixe și poziția liniilor spectrale în funcție de distanță. , probabil că va fi ajuns suficient de departe pentru ca noi să putem decide empiric întrebarea dacă lambda dispare sau nu.”

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried