Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ғаламның қазіргі ғылыми консенсустан өзгеше модельдері
Models of the universe which deviate from then current scientific consensus
Стандартты емес космология – ғаламның кез келген физикалық космологиялық моделі, ол сол кездегі стандартты космология моделіне балама ретінде ұсынылған немесе қазір де ұсынылуда. "Стандартты емес" термині ғылыми консенсусқа сәйкес келмейтін кез келген теорияға қолданылады. Бұл терминнің мағынасы үстем консенсусқа байланысты болғандықтан, уақыт өте келе өзгереді. Мысалы, ыстық қара материя 1990 жылы стандартты емес деп есептелмеген, бірақ 2010 жылы олай болған. Керісінше, ғаламның үдемелі кеңеюіне себеп болатын нөлдік емес космологиялық тұрақты 1990 жылы стандартты емес саналған, ал 2010 жылы стандартты космологияның бір бөлігіне айналды. Космология тарихында бірнеше маңызды космологиялық даулар болған. Ең ертесі – Коперник революциясы, ол Күн жүйесінің гелиоцентрлік моделін орнатты. Жақындағысы – 1920 жылғы Ұлы пікірсайыс, оның нәтижесінде Көкжолдың Ғаламдағы көптеген галактикалардың бірі екендігі анықталды. 1940-1960 жылдар аралығында астрофизикалық қауымдастық Үлкен жарылыс теориясын қолдаушылар мен оған қарсы тұрақты жағдайдағы ғаламды қолдаушылар арасында тең бөлінді. Алайда, қазіргі уақытта 1960 жылдардың соңындағы байқау космологиясының жетістіктері Үлкен жарылыс теориясының пайдасына шешім шығарды. Дегенмен, Фред Хойл, Джаянт Нарликар, Халтон Арп және Ханнес Альфвен сияқты Үлкен жарылыс теориясына белсенді қарсыласқандар болды, олардың космологиялық теориялары астрономиялық зерттеулердің шетіне қалып қойды. Бүгінгі күні Үлкен жарылысқа қарсы тұратын аз ғалымдардың көпшілігі жаңа зерттеулерден алынған нақты дәлелдерді елемейді. Сондықтан, Үлкен жарылысты толығымен жоққа шығаратын стандартты емес космологиялық теориялар қазіргі таңда рецензияланған ғылыми журналдарда сирек жарияланады, көбінесе маргиналды журналдар мен жеке веб-сайттарда қол жетімді. Қазіргі стандартты космологиялық модель – Ламбда-CDM моделі, онда Ғалам жалпы салыстырмалылық теориясымен басқарылады, Үлкен жарылыспен басталды және бүгінде шамамен 5% бариондардан, 27% салқын қара материядан және 68% қара энергиядан тұратын дерлік жазық ғалам болып табылады. Ламбда-CDM сәтті модель болды, бірақ соңғы байқау деректері Ламбда-CDM-де маңызды кернеулерді көрсетіп отыр, мысалы, Хаббл кернеуі, KBC бос кеңістігі, галактикалардың кішкентай проблемасы, өте ірі құрылымдар және т.б. Ламбда-CDM-ді кеңейту және өзгерту, сондай-ақ түбірінен өзгеше модельдерді зерттеу жұмыстары жалғасуда. Зерттелетін тақырыптарға квинтессенция, Модификацияланған Ньютон динамикасы (MOND) және оның релятивистік жалпылауы TeVeS, сондай-ақ жылы қара материя кіреді.
A non standard cosmology is any physical cosmological model of the universe that was, or still is, proposed as an alternative to the then current standard model of cosmology. The term non standard is applied to any theory that does not conform to the scientific consensus. Because the term depends on the prevailing consensus, the meaning of the term changes over time. For example, hot dark matter would not have been considered non standard in 1990, but would have been in 2010. Conversely, a non zero cosmological constant resulting in an accelerating universe would have been considered non standard in 1990, but is part of the standard cosmology in 2010. Several major cosmological disputes have occurred throughout the history of cosmology. One of the earliest was the Copernican Revolution, which established the heliocentric model of the Solar System. More recent was the Great Debate of 1920, in the aftermath of which the Milky Way's status as but one of the Universe's many galaxies was established. From the 1940s to the 1960s, the astrophysical community was equally divided between supporters of the Big Bang theory and supporters of a rival steady state universe; this is currently decided in favour of the Big Bang theory by advances in observational cosmology in the late 1960s. Nevertheless, there remained vocal detractors of the Big Bang theory including Fred Hoyle, Jayant Narlikar, Halton Arp, and Hannes Alfvén, whose cosmologies were relegated to the fringes of astronomical research. The few Big Bang opponents still active today often ignore well established evidence from newer research, and as a consequence, today non standard cosmologies that reject the Big Bang entirely are rarely published in peer reviewed science journals but appear online in marginal journals and private websites. The current standard model of cosmology is the Lambda CDM model, wherein the Universe is governed by general relativity, began with a Big Bang and today is a nearly flat universe that consists of approximately 5% baryons, 27% cold dark matter, and 68% dark energy. Lambda CDM has been a successful model, but recent observational evidence seem to indicate significant tensions in Lambda CDM, such as the Hubble tension, the KBC void, the dwarf galaxy problem, ultra large structures, et cetera. Research on extensions or modifications to Lambda CDM, as well as fundamentally different models, is ongoing. Topics investigated include quintessence, Modified Newtonian Dynamics (MOND) and its relativistic generalization TeVeS, and warm dark matter.
Тарих
Қазіргі физикалық космология, қазіргі таңда зерттеліп жатқан, ғылыми дисциплина ретінде алғаш рет Шэпли-Куртис пікірталасынан және Эдвин Хабблдің ғарыштық қашықтық сатысын ашуынан кейін пайда болды. Осы кезде астрономдар мен физиктер бұрынғыдай галактикалық өлшемнен әлдеқайда үлкен масштабтағы ғаламды қабылдауға мәжбүр болды. Үлкен масштабтағы ғаламға қатысты космологияны сәтті дамытқан теоретиктер қазіргі заманғы космологияның негізін қалаушылары ретінде еске алынады. Олардың арасында Артур Милн, Виллем де Ситтер, Александр Фридман, Жорж Леметр және Альберт Эйнштейннің өзі бар. Хаббл заңының байқау арқылы расталғаннан кейін, ең танымал екі космологиялық теория Хойл, Голд және Бондидің тұрақты күй теориясы, сондай-ақ Ральф Альфер, Джордж Гамов және Роберт Диккенің үлкен жарылыс теориясы болды. Үлкен жарылыс теориясының бәсекелес теориялармен салыстырғандағы маңызды жетістіктерінің бірі – ғаламдағы жеңіл элементтердің мөлшерін болжауы, ол байқаулармен сәйкес келеді. Басқа теориялардың мұндай мөлшерді түсіндіру мүмкіндігі жоқ. Ғаламның басы жоқ, шексіз жасы бар деген тұжырымдаманы жақтаушылар ғаламдағы дейтерийдің мөлшерін түсіндіруде қиындыққа тап болады, себебі дейтерий жұлдыздарда ядролық синтезге оңай түседі және оны үлкен мөлшерде шығаратын Үлкен жарылыстан басқа астрофизикалық процестер белгілі емес. Сондықтан дейтерийдің ғаламда сирек кездеспейтіні, ғаламның шекті жасы бар екенін және деутерийді бұрын пайда болған, бірақ қазір пайда болмайтын процесс жасағанын көрсетеді. Ғаламның өмірі шекті, бірақ Үлкен жарылыс болмаған деген тұжырымдаманы жақтаушылар гелий-4 мөлшерімен проблемаға тап болады. Байқалатын 4He мөлшері жұлдыздар немесе басқа белгілі процестер арқылы пайда болуы тиіс мөлшерден әлдеқайда көп. Керісінше, Үлкен жарылыс модельдеріндегі 4He мөлшері бариондық тығыздық туралы болжамдарға өте сезімтал емес, бариондық тығыздық бірнеше рет өзгергенде тек бірнеше пайызға ғана өзгереді. Байқалатын 4He мәні есептелген диапазонға сәйкес келеді. Алайда, 1965 жылы Арно Пензиас пен Роберт Уилсонның Космикалық микротолқынды фондық сәулеленуді (КМФ) ашқанға дейін көптеген космологтар байқауларды үлкен жарылыс моделімен жақсы түсіндіреді деген қорытындыға келген жоқ. Тұрақты күй теориясын жақтаушылар мен басқа стандартты емес космологиялар, егер олардың тұжырымдары дұрыс болса, осы құбылысты түсіндіруге міндетті болды. Бұл интеграцияланған жұлдыз жарығы және ғарыштық темір сымдар сияқты жаңа тәсілдерге әкелді, олар ерте ғаламдық фазалық өтуге байланысты емес, кең аспандағы микротолқынды фонның көзін қамтамасыз етуге бағытталған. Стандартты емес космологияның КМФ-ты түсіндіру қабілетіне күмән тудырғандықтан, содан бері осы тақырыпқа қызығушылық азайды. Алайда, үлкен жарылыс үшін қиындықтар тудырған байқау деректеріне байланысты стандартты емес космологияға қызығушылықтың қайта жандануын көрсететін екі кезең болды. Біріншісі 1970 жылдардың соңында болды, онда көкжиек проблемасы, жазықтық проблемасы және магниттік монопольдердің болмауы сияқты көптеген шешілмеген мәселелер үлкен жарылыс моделін сынады. Бұл мәселелер 1980 жылдары ғарыштық инфляция арқылы шешілді. Бұл идея кейіннен үлкен жарылыс туралы түсініктің бөлігіне айналды, бірақ уақыт өте келе басқа да нұсқалар ұсынылды. Екіншісі 1990 жылдардың ортасында шарықты шоғырлардың жасы мен бастапқы гелийдің мөлшеріне қатысты байқаулар үлкен жарылыспен келіспеген кезде болды. Алайда, 1990 жылдардың соңында астрономдардың көпшілігі бұл байқаулар үлкен жарылысқа қарсы келмейтініне және COBE мен WMAP-тан алынған қосымша деректер стандартты космологиямен сәйкес келетін егжей-тегжейлі сандық өлшемдерді ұсынды деген қорытындыға келді. Бүгінде гетеродоксалды стандартты емес космологиялар космологтардың қарауына лайық деп есептелмейді, ал тарихи маңызы бар стандартты емес космологиялардың көпшілігі жалған деп саналады. Үлкен жарылыс теориясының негізгі тұжырымдары толыққанды және егжей-тегжейлі байқаулардың кең ауқымымен расталды, және ешбір стандартты емес космология үлкен жарылыс моделінің жетістіктерін қайталай алмады. Альтернативалар туралы болжамдар зерттеу немесе оқу талқылауларының бөлігі емес, тек сабақ ретінде немесе олардың тарихи маңызы үшін қарастырылады. Стандартты емес космологияның кейбір жақтастары бастаған ашық хатта: "Бүгінде... космологиядағы барлық қаржылық және тәжірибелік ресурстардың дерлік барлығы үлкен жарылыс зерттеулеріне жұмсалуда" делінген.
Modern physical cosmology as it is currently studied first emerged as a scientific discipline in the period after the Shapley–Curtis debate and discoveries by Edwin Hubble of a cosmic distance ladder when astronomers and physicists had to come to terms with a universe that was of a much larger scale than the previously assumed galactic size. Theorists who successfully developed cosmologies applicable to the larger scale universe are remembered today as the founders of modern cosmology. Among these scientists are Arthur Milne, Willem de Sitter, Alexander Friedman, Georges Lemaître, and Albert Einstein himself. After confirmation of the Hubble's law by observation, the two most popular cosmological theories became the Steady State theory of Hoyle, Gold and Bondi, and the big bang theory of Ralph Alpher, George Gamow, and Robert Dicke with a small number of supporters of a smattering of alternatives. One of the major successes of the Big Bang theory compared to its competitor was its prediction for the abundance of light elements in the universe that corresponds with the observed abundances of light elements. Alternative theories do not have a means to explain these abundances. Theories which assert that the universe has an infinite age with no beginning have trouble accounting for the abundance of deuterium in the cosmos, because deuterium easily undergoes nuclear fusion in stars and there are no known astrophysical processes other than the Big Bang itself that can produce it in large quantities. Hence the fact that deuterium is not an extremely rare component of the universe suggests both that the universe has a finite age and that there was a process that created deuterium in the past that no longer occurs. Theories which assert that the universe has a finite life, but that the Big Bang did not happen, have problems with the abundance of helium 4. The observed amount of 4He is far larger than the amount that should have been created via stars or any other known process. By contrast, the abundance of 4He in Big Bang models is very insensitive to assumptions about baryon density, changing only a few percent as the baryon density changes by several orders of magnitude. The observed value of 4He is within the range calculated. Still, it was not until the discovery of the Cosmic microwave background radiation (CMB) by Arno Penzias and Robert Wilson in 1965, that most cosmologists finally concluded that observations were best explained by the big bang model. Steady State theorists and other non standard cosmologies were then tasked with providing an explanation for the phenomenon if they were to remain plausible. This led to original approaches including integrated starlight and cosmic iron whiskers, which were meant to provide a source for a pervasive, all sky microwave background that was not due to an early universe phase transition. Scepticism about the non standard cosmologies' ability to explain the CMB caused interest in the subject to wane since then, however, there have been two periods in which interest in non standard cosmology has increased due to observational data which posed difficulties for the big bang. The first occurred was the late 1970s when there were a number of unsolved problems, such as the horizon problem, the flatness problem, and the lack of magnetic monopoles, which challenged the big bang model. These issues were eventually resolved by cosmic inflation in the 1980s. This idea subsequently became part of the understanding of the big bang, although alternatives have been proposed from time to time. The second occurred in the mid 1990s when observations of the ages of globular clusters and the primordial helium abundance, apparently disagreed with the big bang. However, by the late 1990s, most astronomers had concluded that these observations did not challenge the big bang and additional data from COBE and the WMAP, provided detailed quantitative measures which were consistent with standard cosmology. Today, heterodox non standard cosmologies are generally considered unworthy of consideration by cosmologists while many of the historically significant nonstandard cosmologies are considered to have been falsified. The essentials of the big bang theory have been confirmed by a wide range of complementary and detailed observations, and no non standard cosmologies have reproduced the range of successes of the big bang model. Speculations about alternatives are not normally part of research or pedagogical discussions, except as object lessons or for their historical importance. An open letter started by some remaining advocates of non standard cosmology has affirmed that: "today, virtually all financial and experimental resources in cosmology are devoted to big bang studies "
1990 жылдары космологияның "алтын ғасырының" басталуымен бірге ғаламның кеңеюінің, шындығында, үдеп бара жатыр екені анықталды. Бұрын ғаламдағы материя, көрінетін немесе көрінбейтін қара материя түрінде, басты энергия тығыздығын құрайды деп есептелген. Осы "классикалық" үлкен жарылыс космологиясы ғаламдағы энергияның шамамен 70% космологиялық тұрақтыға, көбінесе "қара энергия" деп аталатынға жататыны анықталғаннан кейін құлатылды. Бұл жаңа телескоптар мен байқау астрофизикасындағы жаңа техникалармен алынған егжей-тегжейлі деректерді біріктіретін, сонымен аталатын келісімді ΛCDM моделінің дамуына әкелді. Бүгінде ғылыми әдебиеттерде үлкен жарылыс космологиясының негізгі қағидаларын қабылдайтын, бірақ келісімді модельдің кейбір бөлімдерін өзгертетін "стандартты емес космологиялар" туралы ұсыныстар көбірек кездеседі. Мұндай теориялар қара энергияның баламалы модельдерін, мысалы, квинтэссенция, фантазиялық энергия және брана космологиясындағы кейбір идеяларды; қара материяның баламалы модельдерін, мысалы, өзгертілген Ньютон динамикасын; инфляцияға баламалар немесе кеңейтімдерін, мысалы, хаотикалық инфляция және экпиротикалық модельді; және ғаламды бастапқы себеппен толықтыру ұсыныстарын, мысалы, Хартл-Хокинг шекаралық шарты, циклдық модель және жол картасын қамтиды. Космологтардың арасында осы идеяларға қатысты консенсус жоқ, бірақ олар, десе де, академиялық зерттеудің белсенді салалары болып табылады.
In the 1990s, a dawning of a "golden age of cosmology" was accompanied by a startling discovery that the expansion of the universe was, in fact, accelerating. Previous to this, it had been assumed that matter either in its visible or invisible dark matter form was the dominant energy density in the universe. This "classical" big bang cosmology was overthrown when it was discovered that nearly 70% of the energy in the universe was attributable to the cosmological constant, often referred to as "dark energy". This has led to the development of a so called concordance ΛCDM model which combines detailed data obtained with new telescopes and techniques in observational astrophysics with an expanding, density changing universe. Today, it is more common to find in the scientific literature proposals for "non standard cosmologies" that actually accept the basic tenets of the big bang cosmology, while modifying parts of the concordance model. Such theories include alternative models of dark energy, such as quintessence, phantom energy and some ideas in brane cosmology; alternative models of dark matter, such as modified Newtonian dynamics; alternatives or extensions to inflation such as chaotic inflation and the ekpyrotic model; and proposals to supplement the universe with a first cause, such as the Hartle–Hawking boundary condition, the cyclic model, and the string landscape. There is no consensus about these ideas amongst cosmologists, but they are nonetheless active fields of academic inquiry.
Тұрақты күй теориясы
Тұрақты күй теориясы космологиялық принциптің біртектілік туралы болжамын кеңейтіп, кеңістік қатарындағыдай, уақыт бойынша да біртектілікке ие етеді. Бұл, кейін "кемелді космологиялық принцип" деп аталатын ұғым, ғаламның барлық жерде (ірі масштабта) бірдей көрінетінін, және оның әрқашан осылай болғанын, бола беретінін бекітеді. Бұл Lambda CDM-нен өзгеше, онда ғалам бұрын өте әртүрлі көрінген және болашақта да өте әртүрлі болады. Тұрақты күй теориясын 1948 жылы Фред Хойл, Томас Голд, Герман Бонди және тағы басқалар ұсынды. Кеңейіп отырған ғаламда кемелді космологиялық принципін сақтау үшін, тұрақты күй космологиясы тұрақты тығыздықты сақтау мақсатында ғаламға материяны енгізетін "материяны жарату өрісін" (С өрісі деп аталады) енгізуге мәжбүр болды.
The Steady State theory extends the homogeneity assumption of the cosmological principle to reflect a homogeneity in time as well as in space. This "perfect cosmological principle" as it would come to be called asserted that the universe looks the same everywhere (on the large scale), the same as it always has and always will. This is in contrast to Lambda CDM, in which the universe looked very different in the past and will look very different in the future. Steady State theory was proposed in 1948 by Fred Hoyle, Thomas Gold, Hermann Bondi and others. In order to maintain the perfect cosmological principle in an expanding universe, steady state cosmology had to posit a "matter creation field" (the so called C field) that would insert matter into the universe in order to maintain a constant density.
Lambda-CDM-ге баламалар мен кеңейтулер
Қазіргі космологияның стандартты моделі, Ламбда CDM моделі, құрылымның қалыптасуына, ғарыштық микротолқындық фондағы анизотропияларға және ғаламның үдемелі кеңеюіне теориялық негіз беруде үлкен жетістіктерге қол жеткізді. Дегенмен, ол кемшіліктерінен бос емес. Бүгінде Ламбда CDM моделінің әртүрлі аспектілерін сарапқа салып, оған қарсы келетін көптеген ұсыныстар бар. Бұл ұсыныстар көбінесе Ламбда CDM-нің негізгі ерекшеліктерін өзгертеді, бірақ Ұлы Жарқылды жоққа шығармайды.
The standard model of cosmology today, the Lambda CDM model, has been extremely successful at providing a theoretical framework for structure formation, the anisotropies in the cosmic microwave background, and the accelerating expansion of the universe. However, it is not without its problems. There are many proposals today that challenge various aspects of the Lambda CDM model. These proposals typically modify some of the main features of Lambda CDM, but do not reject the Big Bang.
Анизотроптық ғалам
Изотропиялық – ғаламның барлық бағытта бірдей көрінуі идеясы – Фридманн теңдеулеріне енгізілетін негізгі қағидалардың бірі. Алайда, 2008 жылы Уилкинсон микротолқынды анизотропиялық зондының деректерімен жұмыс істейтін ғалымдар Кентавр және Вела шоқжұлдыздары арасындағы 20 градусқа дейін созылған аймаққа қарай шоғырлардың 600–1000 км/с жылдамдықпен қозғалысын анықтағандарын мәлімдеді. Олар бұл қозғалыс инфляция кезеңінен бұрынғы ғаламның қазір көрінбейтін аймақтарының ықпалынан қалған із болуы мүмкін деп болжады. Бұл жайт даулы, және басқа ғалымдар ғаламның жоғары дәрежеде изотропты екенін көрсетті.
Isotropicity – the idea that the universe looks the same in all directions – is one of the core assumptions that enters into the Friedmann equations. In 2008 however, scientists working on Wilkinson Microwave Anisotropy Probe data claimed to have detected a 600–1000 km/s flow of clusters toward a 20 degree patch of sky between the constellations of Centaurus and Vela. They suggested that the motion may be a remnant of the influence of no longer visible regions of the universe prior to inflation. The detection is controversial, and other scientists have found that the universe is isotropic to a great degree.
Массивті компактты гало объектісі (MACHO)
Жалғыз қара тесіктер, нейтрон жұлдыздары, өрт сөнген шағын жұлдыздар және анықтау қиын болатын басқа да массивті объектілер жиынтығы MACHO деп аталады; кейбір ғалымдар бастапқыда барионикалық MACHO-лардың барлық қара материяны түсіндіре алатынына үміттенген. Дегенмен, осы объектілер қара материя массасының көп бөлігін түсіндіре алмайтындығына дәлелдер жинақталды.
Solitary black holes, neutron stars, burnt out dwarfs, and other massive objects that that are hard to detect are collectively known as MACHOs; some scientists initially hoped that baryonic MACHOs could account for and explain all the dark matter. However, evidence has accumulated that these objects cannot explain a large fraction of the dark matter mass.
Экзотикалық қара материя
Ламбда CDM-де қараңғы материя – бұл қалыпты материямен де, жарықпен де гравитациялық әсер арқылы ғана өзара әрекеттесетін материя түрі. Бүгінгі күні көріп отырған ірі масштабтағы құрылымды қалыптастыру үшін қараңғы материя "салқын" ("С" Ламбда CDM), яғни релятивистік емес болуы керек. Қараңғы материяның нақты табиғаты әлі анықталған жоқ, оның мәні зерттеулерде қарастырылуда. Гипотетикалық әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер (WIMP), аксиондар және алғашқы қара тесіктер – қараңғы материяның негізгі кандидаттары, бірақ басқа да ұсыныстар бар, мысалы:
In Lambda CDM, dark matter is a form of matter that interacts with both ordinary matter and light only through gravitational effects. To produce the large scale structure we see today, dark matter is "cold" (the 'C' in Lambda CDM), i. e. non relativistic. Dark matter has not been conclusively identified, and its exact nature is the subject of intense study. Hypothetical weakly interacting massive particles (WIMPs), axions and primordial black holes are the leading dark matter candidates but there are a variety of other proposals, e. g.:
Өзін-өзімен өзара әрекеттесетін қараңғы материя, онда қараңғы материя бөлшектері бір-бірімен өзара әрекеттеседі. Жылы қараңғы материя, ол суық қараңғы материяға қарағанда релятивистік, бірақ байқаулар бойынша жоққа шығарылған ыстық қараңғы материядан кем релятивистік. 10−22 ЭВ диапазонында аксиондардан әлдеқайда жеңіл бөлшектері бар бұлыңғыр суық қараңғы материя. Тағы да басқа теориялар қараңғы материя мен қараңғы энергияны бір-бірімен байланысты, жасырын сұйықтықтың екі жағы ретінде түсіндіруге тырысады (қараңғы сұйықтыққа қараңыз) немесе қараңғы материяның қараңғы энергияға айналуы мүмкін деген гипотеза бар.
Self interacting dark matter, wherein dark matter particles interact with themselves. Warm dark matter, which are more relativistic than cold dark matter, but less relativistic than the observationally excluded hot dark matter. Fuzzy cold dark matter, which have particles much lighter than axions – in the 10−22 eV range. Yet other theories attempt to explain dark matter and dark energy as different facets of the same underlying fluid (see dark fluid), or hypothesize that dark matter could decay into dark energy.
Экзотикалық қара энергия
Ламбда CDM-де қара энергия – ғаламның кеңеюін үдетуге бейім, белгісіз күштің бір түрі. Ол қара материядан да аз түсінікті және сондай-ақ жұмбақ. Қара энергияның ең қарапайым түсіндірмесі – космологиялық тұрақты (Ламбда CDM-дегі «Ламбда»). Бұл Эйнштейннің өріс теңдеулеріне қосылатын қарапайым тұрақты, ол итергіш күшті қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытқа дейін жасалған бақылаулар космологиялық тұрақтымен толық сәйкес келеді, бірақ көптеген басқа нұсқауларға да мүмкіндік береді, мысалы:
In Lambda CDM, dark energy is an unknown form of energy that tends to accelerate the expansion of the universe. It is less well understood than dark matter, and similarly mysterious. The simplest explanation of dark energy is the cosmological constant (the 'Lambda' in Lambda CDM). This is a simple constant added to the Einstein field equations to provide a repulsive force. Thus far observations are fully consistent with the cosmological constant, but leave room for a plethora of alternatives, e. g.:
Квинтессенция – Ұлы жарылыстан кейін болған ғарыштық инфляцияны тудырған скалярлық өріске ұқсас күш. Квинтессенцияда қара энергия әдетте уақыт өте келе өзгереді (космологиялық тұрақтыдан айырмашылығы – ол өзгермейді). Біртекті емес космология. Ламбда CDM-нің негізгі қағидаларының бірі – ғаламның біртекті болуы, яғни бақылаушы қай жерде болса да, ғалам шамамен бірдей көрінеді. Біртекті емес ғалам сценарийінде, байқалған қара энергия – біздің кеңістіктегі орташа көлемнен бос аймақта орналасқандықтан туындаған өлшеу қатесі. Өзгермелі қара энергия, ол квинтессенцияға ұқсас, себебі қара энергияның қасиеттері уақыт өте келе өзгереді (суретті қараңыз), бірақ қара энергия скалярлық өріспен байланысты емес.
Quintessence, which is a scalar field similar to the one that drove cosmic inflation shortly after the Big Bang. In quintessence, dark energy will usually vary over time (as opposed to the cosmological constant, which remains a constant). Inhomogeneous cosmology. One of the fundamental assumptions of Lambda CDM is that the universe is homogeneous – that is, it looks broadly the same regardless of where the observer is. In the inhomogeneous universe scenario, the observed dark energy is a measurement artefact caused by us being located at an emptier than average region of space. Variable dark energy, which is similar to quintessence in that the properties of dark energy vary over time (see figure), but different in that dark energy is not due to a scalar field.
Жалпы салыстырмалылыққа балама
Жалпы салыстырмалылық теориясы, FRW метрикасының негізі, өте табысты теория болып табылады және қазітке дейін барлық байқау сынақтарынан сәтті өтті. Дегенмен, фундаменталды деңгейде ол кванттық механикамен қақтығысады, ал сингулярлықтарды болжау арқылы өзінің бұзылуын да болжайды. Кез келген баламалы гравитация теориясы бірден баламалы космологиялық теорияны білдіреді, себебі ΛCDM (Лямбда-CDM) жалпы салыстырмалылық теориясын негізгі қағида ретінде қабылдайды. Жалпы салыстырмалылықты өзгертуге көптеген себептер бар, мысалы, қара материя немесе қара энергия қажеттілігінен құтылу, немесе "өрт қабырғасы" сияқты парадокстарды болдырмау. Гравитацияның көптеген модификацияланған теориялары бар, олардың ешқайсысы кеңінен қабылданбаған, бірақ бұл әлі де белсенді зерттеу саласы болып табылады. Ең танымал теориялардың кейбіреулері төменде келтірілген.
General relativity, upon which the FRW metric is based, is an extremely successful theory which has met every observational test so far. However, at a fundamental level it is incompatible with quantum mechanics, and by predicting singularities, it also predicts its own breakdown. Any alternative theory of gravity would immediately imply an alternative cosmological theory since Lambda CDM is dependent on general relativity as a framework assumption. There are many different motivations to modify general relativity, such as to eliminate the need for dark matter or dark energy, or to avoid such paradoxes as the firewall. There are very many modified gravity theories, none of which have gained widespread acceptance, although it remains an active field of research. Some of the more notable theories are below.
Махиандық ғалам
Эрнст Мах жалпы салыстырмалылық теориясын дамытып, инерцияның себебі ғаламның массалық таралуының гравитациялық әсері екенін ұсынды. Бұл ұсыныстың космологиялық салдары туралы ойларға әкелді. Карл Бранс және Роберт Дикке Мах принципін жалпы салыстырмалылық теориясына сәтті енгізіп, өзгеретін массаға мүмкіндік беретін космологиялық шешімдерге жол ашты. Ғаламның біртекті тараған массасы ғаламды жайлайтын шамамен скалярлық өріс құрайды және Ньютонның гравитациялық тұрақтысының көзі болып табылады; кванттық гравитация теориясын жасауға негіз салады.
Ernst Mach developed a kind of extension to general relativity which proposed that inertia was due to gravitational effects of the mass distribution of the universe. This led naturally to speculation about the cosmological implications for such a proposal. Carl Brans and Robert Dicke were able to successfully incorporate Mach's principle into general relativity which admitted for cosmological solutions that would imply a variable mass. The homogeneously distributed mass of the universe would result in a roughly scalar field that permeated the universe and would serve as a source for Newton's gravitational constant; creating a theory of quantum gravity.
МОНД
Модификацияланған Ньютондық динамика (МОНД) – галактикалардың айналу мәселесін түсіндіруге бағытталған салыстырмалы түрде жаңа ұсыныс, ол Ньютонның динамиканың екінші заңының төмен үдеудегі өзгеруіне негізделген. Бұл Ньютонның жалқы тартылыс теориясының кең ауқымды өзгерісін тудырады. Ньютон теориясының модификациясы, Ньютондық космология Фридман космологиясының лимиті болғандықтан, жалпы салыстырмалық космологияның модификациясын да білдіреді. Бүгінгі таңда, дерлік барлық астрофизиктер МОНД-ді қара материяның пайдасына қабылдамаса да, шағын топ зерттеушілер оны жетілдіруді жалғастыруда, соңғы уақыттарда космологиялық байқауларды түсіндіруге бағытталған зерттеулерге Бранс-Дикке теорияларын енгізді. Тензор-вектор-скалярлық гравитация (TeVeS) – бұл релятивистік емес лимитте Модификацияланған Ньютондық динамикаға (МОНД) эквивалентті болатын, қара материяны қажет етпей галактикалардың айналу мәселесін түсіндіруге тырысатын салыстырмалық теория. 2004 жылы Якоб Бекенштейн жасаған бұл теория әртүрлі динамикалық және динамикалық емес тензорлық өрістерді, векторлық өрістерді және скалярлық өрістерді қамтиды. TeVeS-тің МОНД-ден басты айырмашылығы – ол гравитациялық линза құбылысын түсіндіре алады, бұл материя жарықты бұратын ғарыштық оптикалық иллюзия және ол көп рет расталған. Соңғы алдын ала нәтижелер бойынша, ол қара материясыз құрылымның қалыптасуын түсіндіре алады, бірақ шамамен 2эВ массалы нейтриноны қажет етеді (олар сондай-ақ кейбір галактикалар шоғырына, соның ішінде Пуля шоғырына да сәйкес келеді). Дегенмен, басқа авторлар (Slosar, Melchiorri және Silk-ті қараңыз) TeVeS бір уақытта ғарыштық микротолқындық фонның анизотропиясын және құрылымның қалыптасуын түсіндіре алмайды, яғни бұл модельдерді жоғары дәрежеде жоққа шығарады.
Modified Newtonian Dynamics (MOND) is a relatively modern proposal to explain the galaxy rotation problem based on a variation of Newton's Second Law of Dynamics at low accelerations. This would produce a large scale variation of Newton's universal theory of gravity. A modification of Newton's theory would also imply a modification of general relativistic cosmology in as much as Newtonian cosmology is the limit of Friedman cosmology. While almost all astrophysicists today reject MOND in favor of dark matter, a small number of researchers continue to enhance it, recently incorporating Brans–Dicke theories into treatments that attempt to account for cosmological observations. Tensor–vector–scalar gravity (TeVeS) is a proposed relativistic theory that is equivalent to Modified Newtonian dynamics (MOND) in the non relativistic limit, which purports to explain the galaxy rotation problem without invoking dark matter. Originated by Jacob Bekenstein in 2004, it incorporates various dynamical and non dynamical tensor fields, vector fields and scalar fields. The break through of TeVeS over MOND is that it can explain the phenomenon of gravitational lensing, a cosmic optical illusion in which matter bends light, which has been confirmed many times. A recent preliminary finding is that it can explain structure formation without CDM, but requiring a ~2eV massive neutrino (they are also required to fit some Clusters of galaxies, including the Bullet Cluster). However, other authors (see Slosar, Melchiorri and Silk) argue that TeVeS can not explain cosmic microwave background anisotropies and structure formation at the same time, i. e. ruling out those models at high significance.
f ((R) ауырлық
f(R) гравитациясы – Риччи скалярының өзгеше функциясын анықтап, жалпы салыстырмалылық теориясын өзгертетін теориялар тобы. Ең қарапайым жағдайда функция скалярға тең болады; бұл жалпы салыстырмалылық теориясы. Кездейсоқ функцияны енгізу нәтижесінде, қара энергияның немесе қара материяның белгісіз түрлерін қоспай, Ғаламның үдемелі кеңеюін және құрылымдалуын түсіндіруге мүмкіндік туады. Кейбір функциялық түрлер гравитацияның кванттық теориясынан туындайтын түзетулермен шабыттанған болуы мүмкін. f(R) гравитациясын алғаш рет 1970 жылы Ханс Адольф Бухдаль ұсынған (бірақ кездейсоқ функцияның атауы үшін f емес, φ әрпі қолданылған). Бұл теория С. Старобинскийдің ғарыштық инфляция жөніндегі жұмысынан кейін белсенді зерттеу саласына айналды. Әртүрлі функцияларды қолдану арқылы осы теориядан кең ауқымды құбылыстарды жасауға болады; алайда, көптеген функциялық түрлер қазіргі таңдағы бақылаулар немесе патологиялық теориялық мәселелерге байланысты жоққа шығарылды.
f(R) gravity is a family of theories that modify general relativity by defining a different function of the Ricci scalar. The simplest case is just the function being equal to the scalar; this is general relativity. As a consequence of introducing an arbitrary function, there may be freedom to explain the accelerated expansion and structure formation of the Universe without adding unknown forms of dark energy or dark matter. Some functional forms may be inspired by corrections arising from a quantum theory of gravity. f(R) gravity was first proposed in 1970 by Hans Adolph Buchdahl (although φ was used rather than f for the name of the arbitrary function). It has become an active field of research following work by Starobinsky on cosmic inflation. A wide range of phenomena can be produced from this theory by adopting different functions; however, many functional forms can now be ruled out on observational grounds, or because of pathological theoretical problems.
Басқа да нұсқалар
Калуза-Клейн теориясы қосымша кеңістіктік өлшемді ұсынады, осылайша біздің ғаламды жалпы салыстырмалылықтың 4D орнына 5D етеді. DGP моделі – бұл осы санаттағы модельдердің бірі, ол космологиялық тұрақтыны қажет етпей-ақ қара энергияны түсіндіре алады. Энтропиялық гравитация, гравитацияны макродеңгейде біртектілігі бар, бірақ кванттық деңгейдегі тәртіпсіздікке ұшырайтын энтропиялық күш ретінде сипаттайды. Теория, қара материяның қажеттілігін жоя алады, сондай-ақ қара энергияның табиғи түсіндірмесін береді. GRSI моделі жалпы салыстырмалылықты кванттық хромодинамикадағыларға ұқсас өзіндік өзара әрекеттесу мүшелерін қосу арқылы өзгертеді, бұл гравитацияда кварктарды ұстауға ұқсас әсерге алып келеді. Оның қара материя мен қара энергияны қажет етпей-ақ, байқауларды түсіндіре алатыны айтылады. Джоэл Смоллер мен Блейк Темплдің 2003 жылы ұсынған шок толқыны космологиясында "ұлы жарылыс" қара тесік ішіндегі жарылыс ретінде қарастырылады, ол кеңістік пен материяның кеңейіп жатқан көлемін, соның ішінде байқалатын ғаламды да қамтиды. Бұл қара тесік, кеңейген сайын материя тығыздығы төмендегенде, ақ тесікке айналады. Бұл теориямен байланысты, байқалатын ғаламның кеңею жылдамдығының үдеуі, әдетте қара энергияға жатқызылатын құбылыс, шок толқынының әсерінен туындауы мүмкін деп есептеледі.
Kaluza–Klein theory, which posits an extra spatial dimension, thereby making our universe 5D instead of the 4D of General Relativity. The DGP model is one of the models in this category, claimed to be able to explain dark energy without invoking a cosmological constant. Entropic gravity, which describes gravity as an entropic force with macro scale homogeneity but which is subject to quantum level disorder. The theory claims to be able to remove the need for dark matter, as well as provide a natural explanation for dark energy. The GRSI model modifies General Relativity by adding self interaction terms similar to those in quantum chromodynamics, leading to an effect similar to quark confinement in gravity. It is claimed to be able to explain observations without needing dark matter or dark energy. Shockwave cosmology, proposed by Joel Smoller and Blake Temple in 2003, has the “big bang” as an explosion inside a black hole, producing the expanding volume of space and matter that includes the observable universe. This black hole eventually becomes a white hole as the matter density reduces with the expansion. A related theory proposes that the acceleration of the expansion of the observable universe, normally attributed to dark energy, may be caused by an effect of the shockwave.
Сыртқы сілтемелер мен сілтемелер
Нарликар, Джаянт В. және Т. Падманабхан, "Стандартты космология және баламалар: Сыни талдау". Астрономия және астрофизика жылдық шолуы, 39-том, 211–248 беттер (2001). Райт, Эдвард Л. "Космологиядағы әуесқойлықтар мен жаңылыстар:" Үлкен жарылысқа жасалған кейбір танымал шабуылдардағы қателер.
Narlikar, Jayant V. and T. Padmanabhan, "Standard Cosmology and Alternatives: A Critical Appraisal". Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 39, pp. 211–248 (2001). Wright, Edward L. "Cosmological Fads and Fallacies:" Errors in some popular attacks on the Big Bang