20वीं शताब्दी की शुरुआत में, अल्बर्ट आइंस्टीन नाम के एक युवा वैज्ञानिक ने प्रकाश और द्रव्यमान के गुणों को देखा और वे एक दूसरे से कैसे संबंधित हैं। उनके प्रतिबिंबों का परिणाम सापेक्षता का सिद्धांत था। उनके काम ने आधुनिक भौतिकी और खगोल विज्ञान को एक तरह से बदल दिया जिसे आज भी महसूस किया जाता है। द्रव्यमान और ऊर्जा कैसे संबंधित हैं, यह समझने के लिए प्रत्येक छात्र अपने प्रसिद्ध E=MC2 समीकरण का अध्ययन करता है। यह ब्रह्मांड के अस्तित्व के मूलभूत तथ्यों में से एक है।
ब्रह्मांड संबंधी स्थिरांक क्या है?
सामान्य सापेक्षता के लिए आइंस्टीन के समीकरण जितने गहरे थे, उन्होंने एक समस्या प्रस्तुत की। उन्होंने यह समझाने की कोशिश की कि ब्रह्मांड में द्रव्यमान और प्रकाश कैसे मौजूद हैं, कैसे उनकी बातचीत एक स्थिर (यानी विस्तार नहीं) ब्रह्मांड को जन्म दे सकती है। दुर्भाग्य से, उनके समीकरणों ने भविष्यवाणी की कि यह या तो अनुबंध करेगा या विस्तार करेगा, और हमेशा के लिए ऐसा करना जारी रखेगा, लेकिन अंततः उस बिंदु पर पहुंच जाएगा जहां यह अनुबंध करेगा।
उसे ठीक नहीं लगा, इसलिए आइंस्टीन को गुरुत्वाकर्षण को थामने का तरीका समझाना पड़ा,स्थिर ब्रह्मांड की व्याख्या करने के लिए। आखिरकार, उनके समय के अधिकांश भौतिकविदों और खगोलविदों ने केवल यह मान लिया था कि यह मामला था। इसलिए आइंस्टीन ने "ब्रह्मांड संबंधी स्थिरांक" कहे जाने वाले फ्यूज फैक्टर का आविष्कार किया, जिसने समीकरणों को क्रम दिया और एक ऐसे ब्रह्मांड में परिणत हुआ जो न तो फैलता है और न ही सिकुड़ता है। वह "लैम्ब्डा" (ग्रीक अक्षर) चिन्ह के साथ आया, जो अंतरिक्ष के निर्वात में ऊर्जा घनत्व को दर्शाता है। यह विस्तार को नियंत्रित करता है, और इसकी कमी इस प्रक्रिया को रोक देती है। अब ब्रह्माण्ड संबंधी सिद्धांत को समझाने के लिए एक कारक की आवश्यकता थी।
गणना कैसे करें?
अल्बर्ट आइंस्टीन ने सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत (जीआर) का पहला संस्करण 25 नवंबर, 1915 को जनता के सामने प्रस्तुत किया। आइंस्टीन के मूल समीकरण इस तरह दिखते थे:
आधुनिक दुनिया में, ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक है:
यह समीकरण सापेक्षता के सिद्धांत का वर्णन करता है। साथ ही, एक स्थिरांक को लैम्ब्डा सदस्य भी कहा जाता है।
आकाशगंगा और विस्तृत ब्रह्मांड
ब्रह्मांड संबंधी स्थिरांक ने चीजों को उस तरह से ठीक नहीं किया जिस तरह से उन्होंने उम्मीद की थी। वास्तव में, इसने काम किया, लेकिन केवल कुछ समय के लिए। ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक की समस्या हल नहीं हुई है।
यह तब तक जारी रहा जब तक कि एक अन्य युवा वैज्ञानिक एडविन हबल ने दूर की आकाशगंगाओं में परिवर्तनशील तारों का गहन अवलोकन नहीं किया। उनकी झिलमिलाहट ने इन ब्रह्मांडीय संरचनाओं और अन्य की दूरियों को प्रकट किया।
हबल के काम ने दिखाया हैन केवल ब्रह्मांड में कई अन्य आकाशगंगाएँ शामिल हैं, बल्कि जैसा कि यह निकला, यह विस्तार कर रहा था, और अब हम जानते हैं कि इस प्रक्रिया की दर समय के साथ बदलती रहती है। इसने आइंस्टीन के ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को काफी हद तक शून्य कर दिया, और महान वैज्ञानिक को अपनी धारणाओं को संशोधित करना पड़ा। शोधकर्ताओं ने इसे पूरी तरह से नहीं छोड़ा है। हालाँकि, आइंस्टीन ने बाद में अपने स्थिरांक को सामान्य सापेक्षता में जोड़ना अपने जीवन की सबसे बड़ी गलती बताया। लेकिन है ना?
नया ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक
1998 में, हबल स्पेस टेलीस्कोप के साथ काम करने वाले वैज्ञानिकों की एक टीम ने दूर के सुपरनोवा का अध्ययन करते हुए, पूरी तरह से अप्रत्याशित कुछ देखा: ब्रह्मांड का विस्तार तेज हो रहा है। इसके अलावा, प्रक्रिया की गति वह नहीं है जिसकी उन्होंने अपेक्षा की थी और अतीत में रही है।
यह देखते हुए कि ब्रह्मांड द्रव्यमान से भरा है, यह तर्कसंगत लगता है कि विस्तार धीमा होना चाहिए, भले ही वह इतना छोटा हो। इस प्रकार, यह खोज समीकरणों और आइंस्टीन के ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक की भविष्यवाणी के विपरीत प्रतीत होती है। खगोलविदों को समझ में नहीं आया कि विस्तार के स्पष्ट त्वरण की व्याख्या कैसे करें। क्यों, यह कैसे हो रहा है?
सवालों के जवाब
इसके बारे में त्वरण और ब्रह्मांड संबंधी धारणाओं की व्याख्या करने के लिए, वैज्ञानिक मूल सिद्धांत के विचार पर लौट आए हैं।
उनकी नवीनतम अटकलें डार्क एनर्जी नामक किसी चीज के अस्तित्व से इंकार नहीं करती हैं। यह एक ऐसी चीज है जिसे देखा या महसूस नहीं किया जा सकता है, लेकिन इसके प्रभावों को मापा जा सकता है। यह अंधेरा जैसा ही हैपदार्थ: इसका प्रभाव इस बात से निर्धारित किया जा सकता है कि यह प्रकाश और दृश्य पदार्थ को कैसे प्रभावित करता है।
खगोलविदों को शायद अभी तक यह पता नहीं चल पाया है कि यह डार्क एनर्जी क्या है। हालांकि, वे जानते हैं कि यह ब्रह्मांड के विस्तार को प्रभावित करता है। इन प्रक्रियाओं को समझने के लिए अवलोकन और विश्लेषण के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है। हो सकता है कि ब्रह्माण्ड संबंधी सिद्धांत इतना बुरा विचार न हो? आखिरकार, यह मानकर समझाया जा सकता है कि डार्क एनर्जी मौजूद है। जाहिर है, यह सच है और वैज्ञानिकों को और स्पष्टीकरण तलाशने की जरूरत है।
शुरुआत में क्या हुआ था?
आइंस्टीन का मूल ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल एक गोलाकार ज्यामिति के साथ एक स्थिर सजातीय मॉडल था। पदार्थ के गुरुत्वाकर्षण प्रभाव ने इस संरचना में एक त्वरण का कारण बना, जिसकी व्याख्या आइंस्टीन नहीं कर सके, क्योंकि उस समय यह ज्ञात नहीं था कि ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है। इसलिए, वैज्ञानिक ने सामान्य सापेक्षता के अपने समीकरणों में ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक का परिचय दिया। यह स्थिरांक पदार्थ के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को रोकने के लिए लगाया जाता है, और इसलिए इसे गुरुत्वाकर्षण-विरोधी प्रभाव के रूप में वर्णित किया गया है।
ओमेगा लैम्ब्डा
स्वयं ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक के बजाय, शोधकर्ता अक्सर इसके कारण ऊर्जा घनत्व और ब्रह्मांड के महत्वपूर्ण घनत्व के बीच संबंध का उल्लेख करते हैं। यह मान आमतौर पर निम्नानुसार दर्शाया जाता है: । एक समतल ब्रह्मांड में, ΩΛ अपने ऊर्जा घनत्व के एक अंश से मेल खाता है, जिसे ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक द्वारा भी समझाया गया है।
ध्यान दें कि यह परिभाषा वर्तमान युग के क्रांतिक घनत्व से संबंधित है। यह समय के साथ बदलता है, लेकिन घनत्वब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक के कारण ऊर्जा ब्रह्मांड के पूरे इतिहास में अपरिवर्तित रहती है।
आगे देखते हैं कि आधुनिक वैज्ञानिक इस सिद्धांत को कैसे विकसित करते हैं।
ब्रह्मांड संबंधी प्रमाण
त्वरित ब्रह्मांड का वर्तमान अध्ययन अब बहुत सक्रिय है, जिसमें कई अलग-अलग प्रयोग बहुत अलग-अलग समय के पैमाने, लंबाई के पैमाने और भौतिक प्रक्रियाओं को कवर करते हैं। एक ब्रह्माण्ड संबंधी सीडीएम मॉडल बनाया गया है, जिसमें ब्रह्मांड समतल है और इसकी निम्नलिखित विशेषताएं हैं:
- ऊर्जा घनत्व, जो बैरोनिक पदार्थ का लगभग 4% है;
- 23% डार्क मैटर;
- ब्रह्मांड संबंधी स्थिरांक का 73%।
ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को इसके वर्तमान महत्व में लाने वाला महत्वपूर्ण अवलोकन परिणाम यह खोज थी कि मानक मोमबत्तियों के रूप में उपयोग किए जाने वाले दूर के प्रकार Ia (0<z<1) धीमे ब्रह्मांड में अपेक्षा से कमजोर थे। तब से, कई समूहों ने अधिक सुपरनोवा और रेडशिफ्ट की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ इस परिणाम की पुष्टि की है।
चलिए विस्तार से बताते हैं। वर्तमान ब्रह्माण्ड संबंधी सोच में विशेष महत्व के अवलोकन हैं कि अत्यधिक उच्च रेडशिफ्ट (z>1) सुपरनोवा अपेक्षा से अधिक उज्जवल हैं, जो कि एक हस्ताक्षर है जो कि मंदी के समय से हमारे वर्तमान त्वरण अवधि तक पहुंचने की उम्मीद है। 1998 में सुपरनोवा परिणाम जारी होने से पहले, साक्ष्य की कई पंक्तियाँ पहले से ही थीं जो अपेक्षाकृत तेजी से मार्ग प्रशस्त करती थींसुपरनोवा की सहायता से ब्रह्मांड के त्वरण के सिद्धांत की स्वीकृति। विशेष रूप से, उनमें से तीन:
- ब्रह्मांड सबसे पुराने तारों से छोटा निकला। उनके विकास का अच्छी तरह से अध्ययन किया गया है, और गोलाकार समूहों और अन्य जगहों पर उनके अवलोकन से पता चलता है कि सबसे पुरानी संरचनाएं 13 अरब वर्ष से अधिक पुरानी हैं। हम आज इसकी विस्तार दर को मापकर और बिग बैंग के समय का पता लगाकर इसकी तुलना ब्रह्मांड की उम्र से कर सकते हैं। यदि ब्रह्मांड अपनी वर्तमान गति से धीमा हो जाता है, तो उम्र कम होगी यदि यह अपनी वर्तमान दर से तेज हो। एक सपाट, पदार्थ-मात्र ब्रह्मांड लगभग 9 अरब वर्ष पुराना होगा, यह देखते हुए एक बड़ी समस्या है कि यह सबसे पुराने सितारों से कई अरब वर्ष छोटा है। दूसरी ओर, 74% ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक वाला एक समतल ब्रह्मांड लगभग 13.7 बिलियन वर्ष पुराना होगा। तो यह देखते हुए कि वह वर्तमान में तेजी ला रही है, उम्र के विरोधाभास को हल किया।
- बहुत दूर आकाशगंगाएँ। ब्रह्मांड के विस्तार के मंदी का अनुमान लगाने के प्रयासों में उनकी संख्या का व्यापक रूप से उपयोग किया जा चुका है। दो रेडशिफ्ट के बीच की जगह की मात्रा विस्तार इतिहास (किसी दिए गए ठोस कोण के लिए) के आधार पर भिन्न होती है। अंतरिक्ष के आयतन के माप के रूप में दो रेडशिफ्ट के बीच आकाशगंगाओं की संख्या का उपयोग करते हुए, पर्यवेक्षकों ने निर्धारित किया है कि धीमे ब्रह्मांड की भविष्यवाणियों की तुलना में दूर की वस्तुएं बहुत बड़ी दिखाई देती हैं। या तो आकाशगंगाओं की चमक या उनकी संख्या प्रति इकाई आयतन समय के साथ अप्रत्याशित तरीके से विकसित हुई, या हमारे द्वारा गणना किए गए वॉल्यूम गलत थे। तेज हो सकता है मामलाआकाशगंगा विकास के किसी भी अजीब सिद्धांत को ट्रिगर किए बिना टिप्पणियों की व्याख्या करेगा।
- ब्रह्मांड का अवलोकनीय समतलता (अपूर्ण प्रमाण के बावजूद)। ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि (सीएमबी) में तापमान में उतार-चढ़ाव के माप का उपयोग करते हुए, उस समय से जब ब्रह्मांड लगभग 380,000 वर्ष पुराना था, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि यह कुछ प्रतिशत के भीतर स्थानिक रूप से सपाट है। ब्रह्मांड में पदार्थ के घनत्व के सटीक माप के साथ इन आंकड़ों को मिलाकर, यह स्पष्ट हो जाता है कि इसमें महत्वपूर्ण घनत्व का केवल 23% हिस्सा है। लापता ऊर्जा घनत्व की व्याख्या करने का एक तरीका ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को लागू करना है। जैसा कि यह निकला, सुपरनोवा डेटा में देखे गए त्वरण की व्याख्या करने के लिए इसकी एक निश्चित मात्रा बस आवश्यक है। ब्रह्मांड को समतल बनाने के लिए बस यही कारक आवश्यक था। इसलिए, ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक ने पदार्थ घनत्व और सीएमबी की टिप्पणियों के बीच स्पष्ट विरोधाभास को हल किया।
क्या बात है?
उठने वाले प्रश्नों के उत्तर के लिए निम्नलिखित पर विचार करें। आइए ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक के भौतिक अर्थ को समझाने का प्रयास करें।
हम GR समीकरण-1917 लेते हैं और मेट्रिक टेंसर gab को कोष्ठक से बाहर रखते हैं। इसलिए, कोष्ठक के अंदर हमारे पास व्यंजक (R / 2 -) होगा। R का मान सूचकांकों के बिना दर्शाया गया है - यह सामान्य, अदिश वक्रता है। यदि आप उंगलियों पर समझाते हैं - यह वृत्त/गोले की त्रिज्या का व्युत्क्रम है। समतल स्थान R=0 से मेल खाता है।
इस व्याख्या में के गैर-शून्य मान का अर्थ है कि हमारा ब्रह्मांड घुमावदार हैअपने आप में, किसी भी गुरुत्वाकर्षण की अनुपस्थिति में भी शामिल है। हालांकि, अधिकांश भौतिक विज्ञानी इस पर विश्वास नहीं करते हैं और मानते हैं कि प्रेक्षित वक्रता का कुछ आंतरिक कारण होना चाहिए।
डार्क मैटर
इस शब्द का प्रयोग ब्रह्मांड में काल्पनिक पदार्थ के लिए किया जाता है। इसे मानक बिग बैंग कॉस्मोलॉजिकल मॉडल के साथ कई समस्याओं की व्याख्या करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। खगोलविदों का अनुमान है कि ब्रह्मांड का लगभग 25% हिस्सा डार्क मैटर से बना है (शायद गैर-मानक कणों जैसे न्यूट्रिनो, एक्सियन या कमजोर इंटरेक्टिंग मैसिव पार्टिकल्स [डब्ल्यूआईएमपी] से इकट्ठा किया गया है)। और 70% ब्रह्मांड में उनके मॉडल में और भी अधिक अस्पष्ट डार्क एनर्जी है, जो सामान्य पदार्थ के लिए केवल 5% है।
सृष्टिवादी ब्रह्मांड विज्ञान
1915 में, आइंस्टीन ने सापेक्षता के अपने सामान्य सिद्धांत को प्रकाशित करने की समस्या का समाधान किया। उसने दिखाया कि विषम पूर्वता इस बात का परिणाम है कि कैसे गुरुत्वाकर्षण अंतरिक्ष और समय को विकृत करता है और ग्रहों की गति को नियंत्रित करता है जब वे विशेष रूप से बड़े पिंडों के करीब होते हैं, जहां अंतरिक्ष की वक्रता सबसे अधिक स्पष्ट होती है।
न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण ग्रहों की गति का बहुत सटीक वर्णन नहीं है। खासकर जब अंतरिक्ष की वक्रता यूक्लिडियन समतलता से दूर हो जाती है। और सामान्य सापेक्षता प्रेक्षित व्यवहार की लगभग सटीक व्याख्या करती है। इस प्रकार, न तो डार्क मैटर, जो कुछ ने सुझाव दिया है कि सूर्य के चारों ओर एक अदृश्य रिंग में था, और न ही स्वयं वालकैन ग्रह, को विसंगति की व्याख्या करने की आवश्यकता थी।
निष्कर्ष
शुरुआती दिनों मेंब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक नगण्य होगा। बाद के समय में, पदार्थ का घनत्व अनिवार्य रूप से शून्य होगा, और ब्रह्मांड खाली हो जाएगा। हम उस छोटे ब्रह्माण्ड संबंधी युग में रहते हैं जब पदार्थ और निर्वात दोनों तुलनीय परिमाण के होते हैं।
पदार्थ घटक के भीतर, जाहिरा तौर पर, बेरियन और एक गैर-बैरियन स्रोत दोनों का योगदान है, दोनों तुलनीय हैं (कम से कम, उनका अनुपात समय पर निर्भर नहीं करता है)। यह सिद्धांत अपनी अस्वाभाविकता के भार के नीचे लड़खड़ाता है, लेकिन फिर भी प्रतियोगिता से आगे की रेखा को पार कर जाता है, इसलिए यह डेटा के साथ फिट बैठता है।
इस परिदृश्य की पुष्टि (या खंडन) करने के अलावा, आने वाले वर्षों में ब्रह्मांड विज्ञानियों और भौतिकविदों के लिए मुख्य चुनौती यह समझना होगा कि क्या हमारे ब्रह्मांड के ये अप्रिय पहलू केवल अद्भुत संयोग हैं या वास्तव में उस बुनियादी संरचना को दर्शाते हैं जिसे हम अभी तक समझ नहीं आया.
अगर हम भाग्यशाली हैं, तो अब जो कुछ भी अस्वाभाविक लगता है, वह मौलिक भौतिकी की गहरी समझ की कुंजी के रूप में काम करेगा।
