PROFILPELAJAR.COM

הקבוע הקוסמולוגי (באנגלית: Cosmological constant) הוא קבוע פיזיקלי שיכול להתווסף למשוואות השדה של איינשטיין מבלי להפר את עקרונות תורת היחסות הכללית. קבוע קוסמולוגי חיובי גורם לכוח שפועל בכיוון הפוך לכוח הכבידה.

הקבוע הקוסמולוגי הוצג על ידי אלברט איינשטיין זמן קצר לאחר גיבושה של תורת היחסות הכללית על מנת לאפשר פתרון שלה שמתאר יקום סטטי. רעיון קיומו של קבוע קוסמולוגי נזנח לאחר שהתברר כי היקום מתפשט, ורק בסוף המאה ה-20 עם גילוי התפשטותו המואצת של היקום הועלתה האפשרות כי קבוע קוסמולוגי חיובי וקטן מסביר את המדידה החדשה, ובכך זכה הקבוע הקוסמולוגי לעדנה מחודשת.

נוסחת הקבוע הקוסמולוגי

הקבוע הקוסמולוגי הוא ביטוי לאנרגיית הריק, וגודלו יחסי לצפיפותה של אנרגיה זו. מקובל להציג אותו בעזרת הנוסחה:

\Lambda ={{8\pi G} \over {c^{4}}}\rho _{\Lambda }

בנוסחה זו:

$G$ הוא קבוע הכבידה.
$c$ היא מהירות האור בריק.
$\rho _{\Lambda }$ היא הצפיפות של אנרגיית הוואקום.

עבודתו של איינשטיין

משוואות פרידמן הנובעות ממשוואות השדה של איינשטיין מתארות את השתנות גודלו של היקום לאורך הזמן. אם הקבוע הקוסמולוגי אינו קיים (גודלו שווה לאפס) אז הפתרון של משוואות פרידמן מתאר יקום מתפשט. לאחר פרסום תורת היחסות הכללית נטה איינשטיין לחשוב שהיקום סטטי, כלומר אינו מתרחב ואינו מתכווץ אלא קבוע בגודלו. הוא הבין בשנת 1917 שהצגת קבוע קוסמולוגי חיובי תיצור אפקט הפוך לכבידה ותאפשר פתרון סטטי למשוואות פרידמן.

לקראת סוף שנות ה-20 של המאה ה-20 התרבו העדויות על כך שהיקום מתפשט, ובמיוחד ראויה לציון עבודתו של אדווין האבל שמדד את אפקט ההסחה לאדום באורן של גלקסיות רחוקות וניסח את חוק האבל. איינשטיין השתכנע כי היקום אכן מתפשט והבין שכבר אין צורך בקבוע הקוסמולוגי כדי לתאר את מבנה היקום. באותה תקופה אמר איינשטיין שרעיון הקבוע הקוסמולוגי היה "השטות הגדולה ביותר בחיי" ("biggest blunder of my life").

בהנחה שמקורו של היקום במפץ הגדול, ובהיעדר קבוע קוסמולוגי, היקום מתפשט בקצב הולך וקטן, כלומר התפשטותו מואטת לאורך הזמן. התפשטות מואטת זו התיישבה עם התצפיות השונות, ורק לקראת סוף שנות ה-90 של המאה ה-20 עם השיפור ברמת הדיוק של מכשירי המדידה האסטרונומיים ניתן היה לבחון את קצב התפשטות היקום על מנת להבחין בין התפשטות מואטת והתפשטות מואצת.

אנרגיה אפלה

המדידות של לוויין המחקר WMAP תומכות בקיומו של קבוע קוסמולוגי חיובי וקטן

בשנת 1998 התגלה כי היקום מתפשט בקצב הולך וגדל. כוח הכבידה פועל תמיד ככוח משיכה, ועל מנת להסביר את התפשטותו המואצת של היקום יש צורך להניח כי קיים גורם נוסף הפועל בכיוון הפוך לכבידה. האנרגיה שאחראית להאצת התפשטות היקום זכתה לכינוי אנרגיה אפלה. בעקבות הגילוי התעורר הצורך לבדוק אם מקורה של האנרגיה האפלה בקבוע קוסמולוגי חיובי שיכול ליצור אפקט דומה.

אנרגיה אפלה צפויה להשפיע גם על קרינת הרקע הקוסמית. בעזרת בדיקת אי האחידות של קרינה זו ניתן להכריע לגבי אופי האנרגיה האפלה ולקבוע אם מקורה בקבוע קוסמולוגי. המדידות של קרינת הרקע הקוסמית שנעשו על ידי לוויין המחקר WMAP יחד עם מדידות של ניסויים נוספים תומכות בטענה לפיה האנרגיה האפלה נובעת מקיומו של קבוע קוסמולוגי. מודלים אחרים של אנרגיה אפלה, כמו למשל מודל "היסוד החמישי" (quintessence), לא התאימו לתוצאות.

גודלו של הקבוע הקוסמולוגי המתאים להתפשטות הנצפית של היקום קטן לאין שיעור יחסית לגדלים פיזיקליים אחרים. לפי המדידות, ערכו של הקבוע הקוסמולוגי ‎10^-29‎ גרם לסמ"ק או ‎10^-120‎ ביחידות פלאנק המצומצמות. חוסר היכולת להבין את מקורו של קבוע קוסמולוגי כה קטן זכה לכינוי בעיית הקבוע הקוסמולוגי, ואף הוביל לדיון אודות העיקרון האנתרופי כפתרון אפשרי לבעיה.