חוקרים השתמשו בפרמטר Grüneisen בחקר התפשטות היקום, תוך קישור בין תרמודינמיקה לקוסמולוגיה. ממצאיהם מצביעים על כך שההתקררות המתמשכת של היקום קשורה להתפשטות האדיאבטית שלו, והשונות הפוטנציאלית של הקבוע הקוסמולוגי מאתגרת את המודלים המסורתיים. קרדיט: twoday.co.il.com
המעבר ממשטר התפשטות מואט (בעידן הנשלט על ידי קרינה וחומר) למשטר התפשטות מואץ (בעידן הנשלט באנרגיה אפלה) דומה למעבר פאזה תרמודינמי, על פי מאמר ב תוצאות בפיזיקה על ידי מדענים המזוהים עם אוניברסיטת סאו פאולו סטייט.
הרעיון שהיקום מתרחב הוא מלפני כמעט מאה שנה. הוא הועלה לראשונה על ידי הקוסמולוג הבלגי ז'ורז' למאייטר (1894-1966) ב-1927 ואושר בתצפית על ידי האסטרונום האמריקני אדווין האבל (1889-1953) שנתיים לאחר מכן. האבל ראה שההסטה לאדום בספקטרום האלקטרומגנטי של האור המתקבל מעצמים שמימיים עומדת ביחס ישר למרחקם מכדור הארץ, מה שאומר שגופים רחוקים יותר מכדור הארץ מתרחקים מהר יותר והיקום חייב להתפשט.
גילוי של האצת הרחבה
מרכיב חדש ומפתיע נוסף למודל בשנת 1998 כאשר תצפיות על סופרנובות מרוחקות מאוד על ידי פרויקט הסופרנובה הקוסמולוגיה וצוות החיפוש של High-Z Supernova הראו כי היקום מואץ ככל שהוא מתרחב, במקום מואט על ידי כוחות הכבידה, כמו היה אמור. תגלית זו הובילה למושג האנרגיה האפלה, שלדעתה מהווה יותר מ-68% מכלל האנרגיה ביקום הנצפה כיום, בעוד שחומר אפל וחומר רגיל מהווים כ-27% ו-5% בהתאמה.
ייצוגים של תקופות היקום – (א) קרינה, (ב) חומר, (ג) אנרגיה אפלה – עם הערכים המתאימים של משוואת המצב ω = Γeff, כאשר Γeff הוא הפרמטר האפקטיבי של Grüneisen. כשהאנרגיה האפלה הופכת דומיננטית, Γeff משנה סימן ומדמה מעבר פאזה בפיזיקה של החומר המעובה. קרדיט: תוצאות בפיזיקה
יישום של תרמודינמיקה בקוסמולוגיה
"מדידות של הסטה לאדום מצביעות על כך שההתרחבות המואצת היא אדיאבטית (ללא העברת חום) ואניזוטרופי (משתנה בגודל כאשר נמדד בכיוונים שונים)", אמר מריאנו דה סוזה, פרופסור במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת סאו פאולו סטייט (UNESP) בריו קלארו, ברזיל. "מושגים בסיסיים בתרמודינמיקה מאפשרים לנו להסיק שההתרחבות האדיאבטית תמיד מלווה בקירור בגלל האפקט הבארוקלורי (שינוי תרמי הנגרם על ידי לחץ), שנכמת על ידי יחס Grüneisen (Γ, גמא)."
בשנת 1908 הציע הפיזיקאי הגרמני אדוארד אוגוסט גרינייזן (1877-1949) ביטוי מתמטי עבור Γeff, פרמטר Grüneisen היעיל, כמות חשובה בגיאופיזיקה המופיעה לעתים קרובות במשוואות המתארות את ההתנהגות התרמו-אלסטית של החומר. הוא משלב שלושה מאפיינים פיזיקליים: מקדם התפשטות, חום ספציפי ודחיסה איזותרמית. כמעט מאה שנה מאוחר יותר, בשנת 2003, Lijun Zhu ושותפי פעולה הדגימו שחלק ספציפי מפרמטר Grüneisen הנקרא Grüneisen ratio, המוגדר כיחס בין התפשטות תרמית לחום ספציפי, גדל באופן משמעותי בקרבת נקודה קריטית קוונטית עקב הצטברות של אנטרופיה. בשנת 2010, סוזה ושני משתפי פעולה גרמנים הראו שאותו דבר קורה ליד נקודה קריטית בטמפרטורה מוגבלת.
מחקר אחרון באמצעות פרמטר Grüneisen
כעת סוזה וחוקרים עמיתים ב-UNESP השתמשו בפרמטר Grüneisen כדי לתאר היבטים מורכבים של התפשטות היקום במאמר שפורסם בכתב העת תוצאות בפיזיקהמציג חלק ממחקר הדוקטורט של הסופר הראשון לוקאס סקווילנטה, כיום פוסט דוקטורט תחת פיקוחו של סוזה.
"הדינמיקה הקשורה להתפשטות היקום מעוצבת בדרך כלל כנוזל מושלם שמשוואת המצב שלו היא ω = p/ρאיפה ω (אוֹמֶגָה) הוא פרמטר משוואת המצב, ע הוא לחץ, ו ρ (rho) היא צפיפות אנרגיה. למרות ש ω נמצא בשימוש נרחב, המשמעות הפיזית שלו עדיין לא נדונה כראוי. התייחסו אליו כאל קבוע עבור כל עידן של היקום. אחת התוצאות החשובות של המחקר שלנו היא הזיהוי של ω עם פרמטר Grüneisen היעיל באמצעות משוואת המדינה Mie-Grüneisen", אמר סוזה. משוואת המצב Mie-Grüneisen מתייחסת ללחץ, נפח וטמפרטורה, והיא משמשת לעתים קרובות לקביעת הלחץ במוצק דחוס בהלם.
תרמודינמיקה וההתפשטות האניזוטרופית של היקום
המחברים מראים, באמצעות פרמטר Grüneisen, שהתקררות מתמשכת של היקום קשורה להשפעה ברו-קלורית המתייחסת ללחץ וטמפרטורה ומתרחשת עקב התפשטות אדיאבטית של היקום. על בסיס זה, הם מציעים שפרמטר Grüneisen תלוי בזמן בעידן הנשלט על אנרגיה אפלה (עידן היקום הנוכחי).
אחד ההיבטים המעניינים של מחקר זה הוא השימוש שלו בתרמודינמיקה ובמושגים של פיזיקה של מצב מוצק כמו מתח ומתח כדי לתאר את ההתפשטות האניזוטרופית של היקום. "אנו מראים שפרמטר Grüneisen מגולם באופן טבעי בטנזור המתח של אנרגיה-מומנטום במשוואות השדה המפורסמות של איינשטיין, מה שפותח דרך חדשה לחקור השפעות אניזוטרופיות הקשורות להתפשטות היקום. אלה לא שוללים את האפשרות של קריעה גדולה", אמר סוזה.
השערת ה-Big Rip, שהועלתה לראשונה בשנת 2003 במאמר שפורסם ב מכתבי סקירה פיזיתטוען שאם כמות האנרגיה האפלה מספיקה כדי להאיץ את התפשטות היקום מעבר למהירות קריטית, הדבר עלול לקרוע את ה"בד" של המרחב-זמן ולקרוע את היקום.
אנרגיה אפלה והשלכות תיאורטיות
"גם בפרספקטיבה של פרמטר Grüneisen, אנו משערים שהמעבר ממשטר התפשטות מאט (בעידן הנשלט בקרינה ובחומר) למשטר התרחבות מואץ (בעידן הנשלט על ידי האנרגיה האפלה) דומה למעבר פאזה תרמודינמי. זה בגלל ש Γeff משנה סימן כאשר ההתרחבות משתנה מהאטה להאצה. שינוי הסימן מזכיר את החתימה האופיינית של מעברי פאזה בפיזיקה של החומר המעובה", אמר סוזה.
אנרגיה אפלה קשורה לעתים קרובות עם הקבוע הקוסמולוגי Λ (למבדה), שהוצג במקור על ידי איינשטיין ב-1917 ככוח דוחה הנדרש כדי לשמור על היקום בשיווי משקל סטטי. איינשטיין דחה מאוחר יותר את הרעיון, לפי כמה דיווחים. הוא שוקם כאשר התפשטות היקום נמצאה מואצת במקום מאטה. המודל ההגמוני, המכונה Λ-CMD (למבדה-חומר אפל קר), נותן לקבוע הקוסמולוגי ערך קבוע. כלומר, היא מניחה שצפיפות האנרגיה האפלה נשארת קבועה ככל שהיקום מתרחב. עם זאת, מודלים אחרים מניחים כי הצפיפות של אנרגיה אפלה, ומכאן Λלהשתנות עם הזמן.
"הקצאת ערך קבוע ללמבדה פירושה גם הקצאת ערך קבוע לאומגה, אך הכרה של ω כמו הפרמטר האפקטיבי Grüneisen מאפשר לנו להסיק תלות בזמן ω כשהיקום מתרחב בעידן הנשלט על ידי האנרגיה האפלה. זה כרוך ישירות בתלות זמן עבור Λ, או קבוע הכבידה האוניברסלי", אמר סוזה.
המחקר עשוי להוביל להתפתחויות חשובות ככל שהוא נותן הצצה לפרשנות חדשה של התפשטות היקום במונחים של תרמודינמיקה ופיזיקה של חומר מעובה.
מלבד סוזה וסקווילנטה, שאר מחברי המאמר הם אנטוניו סרידוניו (UNESP Ilha Solteira), רוברטו לאגוס-מונקו (UNESP Rio Claro), גבריאל גומס (המכון לאסטרונומיה, גיאופיזיקה ומדעי האטמוספירה, אוניברסיטת סאו פאולו, IAG -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro), והמועמד לדוקטורט Isys Mello, בהנחיית סוזה.
המחקר נתמך על ידי FAPESP באמצעות שני פרויקטים (11/22050-4 ו-18/09413-0).
