アインシュタインと彼のいわゆる最大の失敗
私はこの記事を読んでいました、 https://earthsky.org/space/this-date-in-science-edwin-hubble-and-the-expanding-universe。私の理解は非常に基本的であることに注意してください。最後に私の主な質問を見つけることができます。以下のさまざまなソースからの抜粋にコメントしたので、私がどこで間違っているのか、そして私がそれをどのように解釈しているのかをよりよく理解できます。あなたが私を助けやすくなることを願っています。ありがとうございました。
次の引用は、言及された記事から取られています。もともと混乱していた部分を太字にして、質問を投稿しました。
アルバート・アインシュタインはハッブルの仕事を聞いて大喜びしたと言われています。アインシュタインの相対性理論は、宇宙が拡大または縮小しているに違いないことを示唆していました。しかし、アインシュタイン自身は、宇宙は静止していて 常に存在していたという受け入れられた考えを支持して、この概念を拒否しました。ハッブルが宇宙の膨張の証拠を提示したとき、アインシュタインはその考えを受け入れました。彼は古い考えへの固執を「私の最大の失敗」と呼んだ。
一般相対性理論の元々の理論は、上記のように膨張宇宙を意味しているとは思いません。アインシュタインは、重力に対抗する方法として宇宙定数を導入し、宇宙が最終的に崩壊しないようにしたと思います。以下の3つの抜粋は、私の見解を支持しているようです。
アインシュタインは、一般相対性理論の場の方程式の項として宇宙定数を含めました。それ以外の場合、彼の方程式では明らかに静的宇宙が許可されないことに不満があったためです。重力により、最初は動的平衡にあった宇宙が収縮します。この可能性を打ち消すために、アインシュタインは宇宙定数を追加しました。[3] しかし、アインシュタインが静的理論を発展させた直後、エドウィンハッブルによる観測は宇宙が拡大しているように見えることを示しました。これは、一般相対性理論のアインシュタイン方程式に取り組んでいる数学者フリードマンによって発見された元の一般相対性理論の宇宙論的解と一致していました。アインシュタインは、宇宙の赤方偏移の観測で実証される前に、理論的に宇宙の膨張を予測したときに、方程式の検証を受け入れなかったことを「最大の失敗」と呼んだと報告されています。[10]
実際、アインシュタインの方程式に宇宙定数を追加しても、平衡が不安定であるため、平衡状態の静的宇宙にはなりません。宇宙がわずかに膨張すると、膨張によって真空エネルギーが放出され、さらに膨張します。同様に、わずかに収縮する宇宙は収縮し続けます。[11]
出典1： https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant#History
宇宙定数は、静的宇宙につながる重力場方程式の解を得るためのメカニズムとしてアインシュタインによって最初に提案され、暗黒エネルギーを効果的に使用して重力のバランスを取りました。[16] アインシュタインは宇宙定数に記号Λ（資本ラムダ）を与えました。
このメカニズムは微調整の例であり、アインシュタインの静的宇宙は安定していないことが後でわかりました。局所的な不均一性は、最終的に宇宙の暴走膨張または収縮につながります。平衡は不安定です。宇宙がわずかに膨張すると、膨張によって真空エネルギーが放出され、さらに膨張します。同様に、わずかに収縮する宇宙は収縮し続けます。宇宙全体に物質が不均一に分布しているため、この種の擾乱は避けられません。さらに、1929年にエドウィンハッブルによって行われた観測は、宇宙が拡大していて、まったく静的ではないように見えることを示しました。アインシュタインは、静的宇宙とは対照的に、動的宇宙の考えを予測できなかったことを彼の最大の失敗と呼んだと伝えられている。[19]
出典2： https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy#History_of_discovery_and_previous_speculation
1912年、ヴェストスライファーは、遠く離れた銀河からの光が赤方偏移していることを発見しました[8] [9]。これは、後に地球から遠ざかる銀河として解釈されました。1922年、アレクサンドルフリードマンはアインシュタイン方程式を使用して、宇宙が膨張しているという理論的証拠を提供しました。[10] 1927年、ジョルジュ・ルメートルは独立して理論的にフリードマンと同様の結論に達し、銀河までの距離と後退速度の間の線形関係についての最初の観測的証拠も提示しました。[11] エドウィンハッブルは、2年後にルマイトルの発見を観察的に確認しました。[12] 宇宙原理を仮定すると、これらの発見は、すべての銀河が互いに離れていることを意味します。
大量の実験的観測と理論的研究に基づいて、科学的コンセンサスは、宇宙自体が拡大しており、ビッグバン後の最初の数分の1秒以内に非常に急速に拡大したというものです。この種の膨張は「メートル法膨張」として知られています。数学と物理学では、「メートル法」は距離の尺度を意味し、この用語は宇宙内の距離の感覚自体が変化していることを意味します。
出典3： https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe#History
さらに、以下の出典4からの抜粋に記載されているように、定数を削除することはアインシュタインの側の失敗ではなかったと思います。アインシュタインは宇宙定数を使用して引力の重力のバランスを取り、最終結果は静的宇宙になりました。当時は静的モデルが好まれていたためです。アインシュタインが定数を削除していなかったら、それは膨張宇宙をもたらしたであろうということではありません。私の意見では、それを取り除くことは、アインシュタインが最初に防ごうとしていた宇宙の崩壊をもたらすことになるでしょう。
アルバート・アインシュタインは、一般相対性理論として知られる彼の重力理論の一部として宇宙定数を発明しました。
アインシュタインの方程式は、宇宙のすべての物質の重力が強い引力を発揮し、すべての星と銀河を互いに引き寄せ、最終的に宇宙を崩壊させることを示しました。しかし、当時、天文学者たちは宇宙は静的であり、膨張も収縮もしていないと信じていました。この問題に対抗するために、アインシュタインは彼の方程式に宇宙定数と呼ばれる別の項を追加して、重力の内向きの引っ張りのバランスを取りました。
しかし、約10年以内に、天文学者のエドウィンハッブルは宇宙が膨張していることを発見しました。アインシュタインは宇宙定数を破棄し、それを彼の最大の科学的失敗と呼んだ。
しかし、ダークエネルギーが発見されたとき、多くの物理学者は、アインシュタインの唯一の失敗は定数を取り除くことであると考え始めました。この「反発」力は、宇宙の加速を説明し始める可能性があります。言い換えれば、それはダークエネルギーかもしれません。
出典4： http://hetdex.org/dark_energy/what_is_it/vacuum_energy.html
主な質問：
ダークエネルギーは、ソース6で述べられているように、1990年に発見されました。また、ソース5と同様に、ダークエネルギーは宇宙定数とはかなり異なると思います。1930年頃、アインシュタインは宇宙が膨張していると確信しました。彼は方程式から定数を完全に削除しましたか、それとも方程式が膨張宇宙を予測するようにその値を変更しましたか？当時、拡大の原因は何だと考えられていましたか？それを押しのけていた空間には何があったのでしょうか？フリードマンは1922年に、アインシュタインによって定められた一般相対性理論の元の方程式を使用して宇宙が膨張しているという結論にどのように到達しましたか？フリードマンの動機は何でしたか？私はここで同様の質問を見つけましたが、答えは数学的に重いので、まったく意味がありませんでした。
代わりに、バシラコスとソラは、暗黒エネルギーは一種の動的量子真空エネルギーであると示唆しています。これは、静的真空エネルギー密度を表し、暗黒エネルギーの性質を説明するもう1つの考えられるアインシュタインの宇宙定数とは異なります。
出典5： https://www.space.com/25238-dark-energy-quantum-vacuum-theory.html
ダークエネルギーはさらに神秘的であり、1990年代のその発見は科学者にとって完全な衝撃でした。以前は、物理学者は、引力の重力が時間の経過とともに宇宙の膨張を遅くすると想定していました。しかし、2つの独立したチームが減速率を測定しようとしたとき、彼らは拡張が実際に加速していることに気づきました。ある科学者は、この発見を、鍵のセットを空中に投げ上げて、鍵が倒れることを期待していることに例えました。それは、鍵が天井に向かってまっすぐ飛んでいくのを見るだけでした。
出典6： https://www.nationalgeographic.com/science/space/dark-matter/
これは、1月と1931年2月中パサデナへの訪問で、エドウィン・ハッブルが彼に赤方偏移星雲のスペクトルを示し、宇宙が拡大したことを彼に納得させ、とき、アルバート・アインシュタインは、彼の静的な宇宙を放棄したという人気の信念になってきていると宇宙定数は余計でした。
出典7： https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1311/1311.2763.pdf （アインシュタインの静的宇宙から膨張宇宙への変換）
便利なリンク：
1：「ダークエネルギー」と「真空エネルギー」の違いは何ですか？
2： https://www.youtube.com/watch?v=g20JZ2HNZaw
編集＃1 :( 2020年12月25日、UTC 12:26 PMに追加）
この記事の冒頭で、「一般相対性理論の元の理論が、上記のように宇宙の膨張を意味するとは思わない。アインシュタインは、重力を打ち消す方法として宇宙定数を導入し、宇宙が最終的には崩壊しません。」
私はそれにもっと追加する必要があると思います。ブライアン・グリーンが発表したドキュメンタリー「宇宙の布：宇宙とは？」を見ていました。
以下は40：33-43：10頃に言われています。
そして、ダークエネルギーの発見は、宇宙にそのような成分が含まれているという考えが実際に80年前に調理されたという別の驚きをもたらしました。彼はずっと前にダークエネルギーとは呼んでいませんでしたが、少し秘密にしておきます。アルバートアインシュタインは予測しましたその空間自体が、彼の一般的な相対性理論を発見した直後に見られる銀河を引き離す力を発揮する可能性があります。彼の重力理論は、数学によれば、宇宙は膨張または収縮するが、固定された状態でホバリングできないことを発見しました。アインシュタインを含むほとんどの科学者は、ビッグバンについて知る前に、アインシュタインの方程式が、誰もが問題を抱えていると信じていた静的な宇宙ではなく、膨張または収縮する宇宙を示唆したときに、宇宙を静的な永遠で不変であると描写したため、これは不可解でした。方程式とそれらを修正して、宇宙に外向きのプッシュカウンターアックを注入するような反重力を可能にしました 宇宙を静止させる通常の内向きの重力を使って、彼は宇宙定数を追加する修正を宇宙定数と呼び、彼の方程式を救ったが、真実はアインシュタインが彼の外向きの押しや反重力が本当に宇宙定数の導入であったかどうかわからなかったということですアインシュタインによって、彼が探していた静止宇宙を見つけようとするための非常にエレガントな解決策ではありませんでしたそれは反重力のこの効果を達成しますそれは重力が時々物事を一緒に引っ張るのではなく2つのタイタンの衝突、宇宙定数、通常の物質の引き寄せにより、宇宙は抑制され、静止状態に保たれますが、約12年後、天文学者のエドウィンハッブルは、宇宙が静的ではないことを発見しました。ビッグバンの爆発力により、宇宙は膨張しています。 140億年前のビッグバンは、アインシュタインの元の方程式を変更する必要がなくなったことを意味し、突然宇宙定数の必要性が高まりました。スタントは窓の外に出ました。
重力がすべてを内側に引っ張って宇宙を崩壊させる可能性があることは理解できますが、歴史的に見ると、すべてを外側に押して宇宙を膨張させる空間に何があったのかは明らかではありません。1920年代頃、宇宙には銀河などの物質を引き離すような固有のエネルギーがあるとは考えられていませんでした。はい、アインシュタインの時空は動的で、曲がったり、波打ったり、ねじれたりする可能性がありましたが、固有のエネルギーはありませんでした。ちなみに、それがそれ自身のエネルギーを持っていれば、それは重力にもなります。それで、膨張宇宙を予測または暗示したアインシュタインの方程式には何がありましたか？答えは数学にあるのではないと思います。また、ビッグバン理論は1931年頃に策定されたことにも注意してください。
アインシュタインは、重力場方程式を使用して宇宙の宇宙論モデルを考え出そうとしていましたが、最初はいくつかの仮定が必要でした。用語は初期条件だと思います。彼は、何らかの理由で、引力重力を打ち消す宇宙が膨張している、または宇宙が静的であり、重力を打ち消すために一定の外向きの力が必要であると想定することができました。アインシュタインは静的宇宙を選びました。なぜなら、これは当時の宇宙の最も一般的な見方でしたが、私が読んだように、数学的にはあまり安定していませんでした。要するに、数学自体が何かを暗示しているのではなく、モデルを考え出すために使用された仮定に関するものでした。以下の抜粋をご覧ください。
20世紀初頭、一般的な世界観では、宇宙は静的であり、永遠にほぼ同じであるとされていました。アインシュタインは、ド・ジッターが拡大している宇宙、始まりのある宇宙を説明できる方程式を作成した後、1917年に一般的な意見を表明しました。アインシュタインは彼に「この状況は私を苛立たせている」と書いた。別の手紙の中で、アインシュタインは「そのような可能性を認めることは無意味に思える」と付け加えた。
アインシュタインは、重力場方程式の中で、宇宙全体をとる物質と空間の一般的な構成を記述できるコンパクトな数学ツールを提供していました。方程式で予測された空間の特異な曲率は、有名な実験ですぐに承認され、1920年代初頭までに、ほとんどの主要な科学者は、アインシュタインの場の方程式が宇宙論の基礎を作ることができることに同意しました。唯一の問題は、これらの単純な方程式の解を見つけること、つまり宇宙のモデルを作成することは、数学的な悪夢であったということでした。..。
アインシュタインは中立のオランダでド・ジッターと会いました。彼らはお互いを刺激し、批判し、2つの宇宙論的モデル、つまり場の方程式に対する2つの異なる解を生み出しました。しかし、どちらのモデルも特別な調整が必要なようでした。
アインシュタインのモデルでの最初の試みも同様に、物質を含むことができず、安定していませんでした。方程式は、宇宙が最初に静的であった場合、物質の引力がそれ自体にすべて崩壊することを示しました。スペースがそれほど不安定であると考える理由がなかったので、それはばかげているように見えました。
アインシュタインは、方程式に単純な定数項を追加することで、モデルを安定させることができることを発見しました。この定数がゼロでない場合、モデルはそれ自体の重力の下で崩壊する必要はありません。アインシュタインが認めたこの「宇宙定数」は、「架空の用語」にすぎなかった。それは「理論自体では要求されておらず、理論的な観点からも自然に見えませんでした」。実際、「この用語は、物質の準静的な分布を可能にする目的でのみ必要です。」
ソース： https://history.aip.org/exhibits/cosmology/ideas/expanding.htm
回答
いくつかのポイント（数学的な詳細なし）を簡単に実行して、これで質問が解決するかどうかを確認します。
•あなたは「失敗」の部分を誤解しているようです。「失敗」は宇宙定数を削除するのではなく、そもそもそれを彼の方程式に（当時はアドホックな方法で）追加していました。
•今日、ダークエネルギーは宇宙定数と「異なる」わけではありません。CCはダークエネルギーを説明するための可能な（そして最も簡単な）方法にすぎません。（これは、周囲の理論上の問題にもかかわらず、最もよく機能するものでもあります。）
•アインシュタインは、静的ユニバース（および引用した安定性に関するその他の関連する問題）にCCが不要になったため、CCを削除しました。
明確にするために、宇宙定数もいかなる種類の暗黒エネルギーも膨張宇宙には必要ありませんが、加速膨張には必要です。宇宙はすでにビッグバンから拡大していました。CCがゼロの宇宙はまだ拡大しています。