Эйнштейн и его так называемая самая большая ошибка

Я читал эту статью, https://earthsky.org/space/this-date-in-science-edwin-hubble-and-the-expanding-universe . Обратите внимание, что мое понимание очень простое. Вы можете найти мой главный вопрос ближе к концу. Ниже я прокомментировал выдержки из разных источников, чтобы вы могли лучше понять, где я ошибаюсь и как я это интерпретирую. Надеюсь, вам будет легче помочь мне. Спасибо.

Следующая цитата взята из упомянутой статьи. Я выделил жирным шрифтом часть, которая изначально сбила с толку и заставила меня опубликовать свой вопрос.

Говорят, что Альберт Эйнштейн был в восторге, узнав о работе Хаббла. Теория относительности Эйнштейна предполагала, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Но сам Эйнштейн отверг это представление в пользу общепринятой идеи, что Вселенная стационарна и всегда существовала. Когда Хаббл представил свои доказательства расширения Вселенной, Эйнштейн подхватил эту идею. Он назвал свою приверженность старой идее «моей величайшей ошибкой».

Я не думаю, что первоначальная общая теория относительности подразумевала расширяющуюся вселенную, как сказано выше. Я бы сказал, что Эйнштейн ввел космологическую постоянную как способ противодействия гравитации, чтобы Вселенная в конечном итоге не схлопнулась сама на себя. Три выдержки ниже, похоже, подтверждают мою точку зрения.

Эйнштейн включил космологическую постоянную как термин в свои уравнения поля для общей теории относительности, потому что он был недоволен тем, что в противном случае его уравнения, по-видимому, не допускали статической Вселенной: гравитация заставила бы Вселенную, которая изначально находилась в динамическом равновесии, сжаться. Чтобы противодействовать этой возможности, Эйнштейн добавил космологическую постоянную.[3] Однако вскоре после того, как Эйнштейн разработал свою статическую теорию, наблюдения Эдвина Хаббла показали, что Вселенная расширяется; это согласовывалось с космологическим решением исходных уравнений общей теории относительности, которое было найдено математиком Фридманом, работавшим над уравнениями общей теории относительности Эйнштейна.

На самом деле добавление космологической постоянной к уравнениям Эйнштейна не приводит к статичной Вселенной в равновесии, потому что равновесие нестабильно: если Вселенная слегка расширяется, то расширение высвобождает энергию вакуума, что вызывает еще большее расширение. Точно так же Вселенная, которая немного сжимается, будет продолжать сжиматься.[11]

Источник 1: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant#History .

Космологическая постоянная была впервые предложена Эйнштейном как механизм для получения решения уравнения гравитационного поля, которое привело бы к статической Вселенной, эффективно используя темную энергию для баланса гравитации.[16] Эйнштейн дал космологической постоянной символ Λ (заглавная лямбда)....

Механизм был примером тонкой настройки, и позже стало понятно, что статическая Вселенная Эйнштейна не будет стабильной: локальные неоднородности в конечном итоге приведут либо к безудержному расширению, либо к сжатию Вселенной. Равновесие неустойчиво: если Вселенная немного расширяется, то расширение высвобождает энергию вакуума, что вызывает еще большее расширение. Точно так же Вселенная, которая слегка сжимается, будет продолжать сжиматься. Такого рода возмущения неизбежны из-за неравномерного распределения материи во Вселенной. Кроме того, наблюдения Эдвина Хаббла в 1929 году показали, что Вселенная расширяется, а вовсе не статична. Сообщается, что Эйнштейн назвал свою неспособность предсказать идею динамической Вселенной, в отличие от статической Вселенной, своей величайшей ошибкой.

Источник 2: https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy#History_of_discovery_and_previous_speculation .

В 1912 году Весто Слайфер обнаружил, что свет от удаленных галактик имеет красное смещение, что позже было интерпретировано как галактики, удаляющиеся от Земли. В 1922 году Александр Фридман использовал уравнения поля Эйнштейна для получения теоретических доказательств того, что Вселенная расширяется.[10] В 1927 году Жорж Лемэтр независимо пришел к выводу, аналогичному Фридману, на теоретической основе, а также представил первые наблюдательные доказательства линейной зависимости между расстоянием до галактик и скоростью их удаления.[11] Два года спустя Эдвин Хаббл наблюдательно подтвердил выводы Леметра. Принимая во внимание космологический принцип, эти результаты означают, что все галактики удаляются друг от друга.

Основываясь на большом количестве экспериментальных наблюдений и теоретических работ, научный консенсус состоит в том, что само пространство расширяется, и что оно расширялось очень быстро в течение первой доли секунды после Большого взрыва. Этот вид расширения известен как «метрическое расширение». В математике и физике «метрика» означает меру расстояния, и этот термин подразумевает, что само ощущение расстояния во Вселенной меняется.

Источник 3: https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe#History .

Кроме того, я не думаю, что со стороны Эйнштейна было ошибкой удалить постоянную, как указано в приведенном ниже отрывке из Источника 4. Эйнштейн использовал космологическую постоянную, чтобы сбалансировать гравитационную силу притяжения, так что конечным результатом была статическая Вселенная. поскольку в то время предпочтение отдавалось статической модели. Дело не в том, что если бы Эйнштейн не удалил константу, это привело бы к расширению Вселенной. На мой взгляд, его удаление скорее привело бы к коллапсу Вселенной, который изначально пытался предотвратить Эйнштейн.

Альберт Эйнштейн изобрел космологическую постоянную как часть своей теории гравитации, известной как общая теория относительности.

Уравнения Эйнштейна показали, что гравитация всей материи во Вселенной будет оказывать сильное притяжение, притягивая все звезды и галактики друг к другу и в конечном итоге вызывая коллапс Вселенной. Однако в то время астрономы считали, что Вселенная статична — что она не расширяется и не сжимается. Чтобы противодействовать этой проблеме, Эйнштейн добавил в свои уравнения еще один член, названный космологической постоянной, чтобы уравновесить внутреннее притяжение гравитации.

Однако примерно через десять лет астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав это своей величайшей научной ошибкой.

Однако когда была открыта темная энергия, многие физики начали думать, что единственная ошибка Эйнштейна заключалась в удалении константы. Эта «отталкивающая» сила могла бы начать объяснять ускорение Вселенной. Другими словами, это может быть темная энергия.

Источник 4: http://hetdex.org/dark_energy/what_is_it/vacuum_energy.html

ГЛАВНЫЙ ВОПРОС:

Темная энергия была открыта в 1990 году, как указано в Источнике 6, и я также думаю, как и в Источнике 5, что темная энергия сильно отличается от космологической постоянной. Примерно в 1930 году Эйнштейн был убежден, что Вселенная расширяется. Он полностью убрал константу из своих уравнений или изменил ее значение так, чтобы уравнения предсказывали расширение Вселенной? Что считалось в то время причиной расширения? Что было в пространстве, что раздвигало его на части? Как Фридман в 1922 году пришел к выводу, что Вселенная расширяется, используя исходные уравнения общей теории относительности, сформулированные Эйнштейном? Какова была мотивация Фридмана? Я нашел аналогичный вопрос здесь , но ответ математически тяжелый, и я вообще не мог понять его.

Вместо этого Басилакос и Сола предполагают, что темная энергия является типом динамической квантовой энергии вакуума — чем-то отличным от космологической постоянной Эйнштейна, которая описывает статическую плотность энергии вакуума и является еще одним возможным объяснением природы темной энергии.

Источник 5: https://www.space.com/25238-dark-energy-quantum-vacuum-theory.html

Темная энергия еще более загадочна, и ее открытие в 1990-х годах стало для ученых полным шоком. Ранее физики предполагали, что сила притяжения гравитации будет замедлять расширение Вселенной с течением времени. Но когда две независимые команды попытались измерить скорость замедления, они обнаружили, что расширение на самом деле ускоряется. Один ученый сравнил это открытие с тем, что подбрасывает в воздух связку ключей, ожидая, что они упадут обратно, но только для того, чтобы увидеть, как они летят прямо к потолку.

Источник 6: https://www.nationalgeographic.com/science/space/dark-matter/

Стало популярным мнение, что Альберт Эйнштейн отказался от своей статической Вселенной, когда во время визита в Пасадену в январе и феврале 1931 года Эдвин Хаббл показал ему смещенные в красную сторону спектры туманностей и убедил его в том, что Вселенная расширяется, а космологическая постоянная была лишней .

Источник 7: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1311/1311.2763.pdf (преобразование Эйнштейна из статической Вселенной в расширяющуюся)

Полезные ссылки:

1: В чем разница между «темной энергией» и «энергией вакуума»?

2: https://www.youtube.com/watch?v=g20JZ2HNZaw

РЕДАКТИРОВАТЬ № 1: (добавлено 25.12.2020, 12:26 UTC)

Ранее в начале этого поста я сказал: « Я не думаю, что первоначальная общая теория относительности подразумевала расширение Вселенной, как сказано выше. Я бы сказал, что Эйнштейн ввел космологическую постоянную как способ противодействия гравитации, чтобы Вселенная в конечном итоге не рухнет на себя » .

Я думаю, что я должен добавить больше к этому. Я смотрел документальный фильм « Ткань космоса: что такое космос? », представленный Брайаном Грином.

Следующее сказано около 40:33 - 43:10.

и открытие темной энергии преподнесло еще один сюрприз идея о том, что вселенная содержит такой ингредиент, на самом деле была изобретена восемьдесят лет назад я открою вам маленький секрет, хотя он не называл это темной энергией давным-давно предсказал Альберт Эйнштейн что само пространство может оказывать силу, которая разделит галактики, вы видите вскоре после открытия его общей теории относительности его теории гравитацииЭйнштейн обнаружил, что, согласно математике, Вселенная либо расширяется, либо сжимается, но она не может зависать в фиксированном размере, это озадачивает, потому что до того, как они узнали о Большом взрыве, большинство ученых, включая Эйнштейна, представляли Вселенную как статичную, вечную и неизменную, когда Эйнштейн уравнения предполагали расширяющуюся или сжимающуюся вселенную, а не статичную вселенную, в которую все верили.у него была проблема, поэтому Эйнштейн вернулся к своим уравнениям и модифицировал их, чтобы учесть некую антигравитацию, которая наполнила бы пространство внешним толчком, противодействующим обычному внутреннему притяжению гравитации, позволяя Вселенной стоять на месте. он назвал модификацию добавлением космологической постоянной космологическая постоянная спасла его уравнения, но правда в том, что Эйнштейн понятия не имел, действительно ли существовали его внешний толчок или антигравитация. Введение космологической постоянной Эйнштейном было не очень элегантным решением, чтобы попытаться найти то, что он искал для стационарной Вселенной достигается этот эффект антигравитации, он говорит, что гравитация иногда может вести себя таким образом, чтобы не притягивать вещи друг к другу, а разталкивать их, как столкновение двух титанов, космологическая постоянная и притяжение обычной материи могут держать вселенную под контролем. иоставьте его неизменным, но примерно через дюжину лет астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная не статична, она расширяется из-за взрывной силы Большого взрыва четырнадцать миллиардов лет назад, что означало, что исходные уравнения Эйнштейна больше не нужно было изменять так внезапно, что возникла необходимость в космологическая постоянная вылетела из окна.

Понятно, что гравитация может втянуть все внутрь и заставить Вселенную коллапсировать, но, глядя на это исторически, неясно, что было в космосе, что выталкивало бы все наружу, что приводило к расширению Вселенной. Примерно в 1920-х годах не считалось, что пространство обладает какой-либо внутренней энергией, которая могла бы расталкивать материю, например, галактики. Да, пространство-время Эйнштейна было динамичным, оно могло искривляться, пульсировать, скручиваться и т. д., но оно не обладало внутренней энергией. Кстати, если бы у него была собственная энергия, то она тоже вылилась бы в гравитацию. Итак, что же было в уравнениях Эйнштейна, предсказывающих или подразумевающих расширение Вселенной? Я думаю, что ответ кроется не в математике. Также обратите внимание, что теория Большого взрыва была сформулирована примерно в 1931 году.

Эйнштейн пытался создать космологическую модель Вселенной, используя свои уравнения гравитационного поля, и для начала потребовалось несколько предположений; Я думаю, что термин начальные условия. Он мог либо предположить, что по какой-то неизвестной причине Вселенная расширяется, что также противодействует гравитации притяжения, либо Вселенная была статична, и для противодействия гравитации потребовалась бы некоторая фиксированная внешняя сила. Эйнштейн выбрал статичную Вселенную, потому что это было наиболее распространенное представление о Вселенной в то время, хотя, как я читал, математически не очень стабильное. Короче говоря, дело было не в том, что сама математика что-то подразумевала, а в предположениях, использованных для построения модели. Пожалуйста, смотрите отрывок ниже.

В начале 20-го века было распространено мировоззрение, согласно которому Вселенная статична — более или менее одна и та же на протяжении всей вечности. Эйнштейн выразил общее мнение в 1917 году после того, как де Ситтер вывел уравнения, которые могли описать расширяющуюся вселенную, вселенную с началом . Эйнштейн написал ему, что «это обстоятельство меня раздражает». В другом письме Эйнштейн добавил: «Допускать такие возможности кажется бессмысленным».

В своих уравнениях гравитационного поля Эйнштейн как раз тогда предлагал компактный математический инструмент, который мог описать общую конфигурацию материи и пространства, взяв за основу Вселенную. Своеобразная кривизна пространства, предсказанная уравнениями, была быстро подтверждена известными экспериментами, и к началу 1920-х годов большинство ведущих ученых согласились с тем, что уравнения поля Эйнштейна могут стать основой космологии. Единственная проблема заключалась в том, что найти решение этих простых уравнений, то есть создать модель Вселенной, было математическим кошмаром. ...

Эйнштейн встретился с де Ситтером в нейтральной Голландии. Стимулируя и критикуя друг друга, они создали две космологические модели, два разных решения уравнений поля. Но обе модели, похоже, нуждались в особых корректировках.

Первая попытка Эйнштейна создать модель также не могла содержать материю и быть стабильной. Уравнения показали, что если бы Вселенная была статична с самого начала, гравитационное притяжение материи заставило бы ее рухнуть на себя. Это казалось смешным, потому что не было оснований предполагать, что пространство настолько нестабильно.

Эйнштейн обнаружил, что может стабилизировать свою модель, добавив в уравнения простой постоянный член. Если бы эта константа не была равна нулю, модель не должна была бы разрушаться под действием собственной силы тяжести. Эта «космологическая постоянная», признал Эйнштейн, была лишь «гипотетическим термином». Это «не требовалось теорией как таковой и не казалось естественным с теоретической точки зрения». На самом деле «термин необходим только для того, чтобы сделать возможным квазистатическое распределение материи».

Источник: https://history.aip.org/exhibits/cosmology/ideas/expanding.htm