Το πλήρες UV-ορατό-IR σύνθετο του XDF. η μεγαλύτερη εικόνα που κυκλοφόρησε ποτέ από το μακρινό Σύμπαν. Κάθε γαλαξίας που εμφανίζεται εδώ θα επιταχυνθεί τελικά από εμάς σε μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός, χάρη στη σκοτεινή ενέργεια. Πιστωτική εικόνα: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Κρατικό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα) και Z. Levay (STScI).

Μια νέα εξήγηση για τη σκοτεινή ενέργεια: το θέμα στο Σύμπαν μας

Πώς το βαρυτικό φαινόμενο Casimir μπορεί να προκαλέσει την επιταχυνόμενη επέκταση του Σύμπαντός μας, χωρίς καμία νέα φυσική.

«Επειδή είναι αλήθεια ότι οι ποσοτικές μετρήσεις έχουν μεγάλη σημασία, είναι σοβαρό λάθος να υποθέσουμε ότι ολόκληρη η πειραματική φυσική μπορεί να ενταχθεί σε αυτόν τον τίτλο». - Χέντρικ Κασιμίρ

Δεδομένου ότι η επέκταση του Σύμπαντος βρέθηκε για πρώτη φορά να επιταχύνει σχεδόν 20 χρόνια πριν, οι επιστήμονες λαχταρούσαν για μια επιτακτική, απλή και δοκιμαστική εξήγηση. Ωστόσο, καθώς όλο και περισσότερα δεδομένα από πειράματα και παρατηρήσεις έχουν εισέλθει, η αιτία αυτής της σκοτεινής ενέργειας - η υποθετική αιτία της επιτάχυνσης - ήταν εκπληκτικά αόριστη. Παρόλο που είναι λειτουργικά ισοδύναμο με μια «κοσμολογική σταθερά» (ή την «εγγενή ενέργεια στον ίδιο τον χώρο»), δεν υπάρχει καλός τρόπος να φτάσουμε σε μια πρόβλεψη για την αξία του. Ωστόσο, αν σκεφτείτε ότι η τοποθέτηση ορισμένων μορφών ύλης σε κενό χώρο αλλάζει τις δυνάμεις σε αυτό το θέμα, ίσως η σκοτεινή ενέργεια προκύπτει από την απλούστερη αιτία όλων: το γεγονός ότι το Σύμπαν μας περιέχει καθόλου ύλη.

Ένας χάρτης του μοτίβου ομαδοποίησης / ομαδοποίησης που οι γαλαξίες στο Σύμπαν μας παρουσιάζουν σήμερα. Η παρουσία αυτών των δομών μπορεί να εξηγήσει την παρουσία και το μέγεθος της σκοτεινής ενέργειας στο σύνολό της. Πιστωτική εικόνα: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center.

Οι περισσότερες από τις δυνάμεις και τα φαινόμενα στο Σύμπαν έχουν αιτίες που μπορούν εύκολα να αποκαλυφθούν. Δύο τεράστια αντικείμενα βιώνουν μια βαρυτική δύναμη λόγω του γεγονότος ότι ο χωροχρόνος κυρτώνεται από την παρουσία ύλης και ενέργειας. Το Σύμπαν έχει επεκταθεί όπως έχει στην ιστορία του λόγω της μεταβαλλόμενης ενεργειακής πυκνότητας του Σύμπαντος και των αρχικών συνθηκών επέκτασης. Και όλα τα σωματίδια στο Σύμπαν βιώνουν τις αλληλεπιδράσεις που κάνουν λόγω των γνωστών κανόνων της κβαντικής θεωρίας πεδίου και της ανταλλαγής διανυσμάτων μποζονίων. Από τα μικρότερα, υποατομικά σωματίδια έως τις μεγαλύτερες κλίμακες, οι ίδιες δυνάμεις παίζουν, κρατώντας τα πάντα, από πρωτόνια σε ανθρώπους, πλανήτες έως γαλαξίες μαζί.

Η ισχυρή δύναμη, που λειτουργεί όπως συμβαίνει λόγω της ύπαρξης «φορτίου χρώματος» και της ανταλλαγής γλουόνων, είναι υπεύθυνη για τη δύναμη που συγκρατεί τους ατομικούς πυρήνες. Πιστωτική εικόνα: Χρήστης του Wikimedia Commons Qashqaiilove.

Ακόμα και μερικά από τα πιο μυστηριώδη φαινόμενα έχουν υποκείμενες εξηγήσεις που είναι καλά κατανοητές. Δεν ξέρουμε πώς πρέπει να υπάρχει περισσότερη ύλη από την αντιύλη στο Σύμπαν, αλλά γνωρίζουμε ότι οι συνθήκες που χρειαζόμαστε για αυτό - παραβίαση αριθμού baryon, από συνθήκες ισορροπίας και παραβίαση C και CP - όλα υπάρχουν. Δεν ξέρουμε ποια είναι η φύση της σκοτεινής ύλης, αλλά οι γενικές ιδιότητές της, πού βρίσκεται και πώς συσσωρεύεται μαζί είναι καλά κατανοητή. Και δεν γνωρίζουμε εάν οι μαύρες τρύπες διατηρούν πληροφορίες ή όχι, αλλά καταλαβαίνουμε τις τελικές και αρχικές καταστάσεις αυτών των αντικειμένων, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο γίνονται και τι συμβαίνει στους ορίζοντες των γεγονότων τους με την πάροδο του χρόνου.

Απεικόνιση μιας μαύρης τρύπας και του δίσκου συσσώρευσης, επιτάχυνσης και τοποθέτησης που περιβάλλει. Οι αρχικές και τελικές καταστάσεις των μαύρων οπών μπορούν να προβλεφθούν καλά, ακόμη και αν η απώλεια ή η διατήρηση των πληροφοριών δεν μπορεί προς το παρόν. Πιστωτική εικόνα: NASA.

Αλλά υπάρχει ένα πράγμα που δεν καταλαβαίνουμε καθόλου: η σκοτεινή ενέργεια. Σίγουρα, μπορούμε να μετρήσουμε την επιτάχυνση του Σύμπαντος και να προσδιορίσουμε ακριβώς το μέγεθος του. Γιατί όμως έχουμε ένα Σύμπαν με μη μηδενική τιμή για τη σκοτεινή ενέργεια; Γιατί ο κενός χώρος, χωρίς όλα - δεν έχει σημασία, χωρίς καμπυλότητα, χωρίς ακτινοβολία, τίποτα - να έχει θετική, μη μηδενική ενέργεια; Γιατί πρέπει να αναγκάσει το ίδιο το Σύμπαν να επεκταθεί με έναν πάντα θετικό ρυθμό, χωρίς να φτάνει ποτέ στο μηδέν; Και γιατί θα έπρεπε αυτή η ποσότητα ενέργειας που ήταν τόσο απίστευτα μικροσκοπική, που ήταν εντελώς απαρατήρητη για τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος, και ήρθε μόνο να κυριαρχήσει στο Σύμπαν την εποχή που σχηματίστηκε η Γη;

Μια απεικόνιση ενός πρωτοπλανητικού δίσκου, όπου σχηματίζονται πρώτοι πλανήτες και πλανητικά πλάσματα, δημιουργώντας «κενά» στο δίσκο όταν το κάνουν. Πριν από τέσσερα έως πέντε δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν σχηματίστηκε το Ηλιακό μας Σύστημα, η σκοτεινή ενέργεια ερχόταν ταυτόχρονα να κυριαρχήσει στον ρυθμό επέκτασης και την πυκνότητα ενέργειας του Σύμπαντος. Πιστωτική εικόνα: NAOJ.

Υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορούμε να σημειώσουμε για τη σκοτεινή ενέργεια και το Σύμπαν, τα οποία είναι ενδιαφέροντα και υποδηλώνουν μια σύνδεση. Υπάρχει πολύς κενός χώρος και γνωρίζουμε ότι υπάρχουν κβαντικά πεδία σε όλο αυτό. Δεν υπάρχουν περιοχές του Σύμπαντος όπου οι βαρυτικές, ηλεκτρομαγνητικές ή πυρηνικές δυνάμεις δεν μπορούν να φτάσουν. είναι απολύτως παντού. Εάν προσπαθήσουμε και υπολογίσουμε αυτό που ονομάζουμε την τιμή προσδοκίας κενού (VEV) των διαφορετικών κβαντικών πεδίων εκεί, πρώτα μπορούμε να το κάνουμε μόνο περίπου, επειδή υπάρχει ένας άπειρος αριθμός όρων που μπορούμε να γράψουμε που πηγαίνουν σε αυθαίρετα υψηλή τάξη . Αν κόψουμε τη σειρά σε οποιοδήποτε σημείο, μπορούμε να προσθέσουμε ποιες είναι οι κατά προσέγγιση συνεισφορές και καταλήγουμε πολύ απογοητευμένοι.

Μερικοί όροι συμβάλλουν στην ενέργεια μηδενικών σημείων στην κβαντική ηλεκτροδυναμική. Πιστωτική εικόνα: RL Jaffe, από https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Εάν κάνουμε αυτά τα μαθηματικά, καταλήγουμε με συνεισφορές που είναι περίπου 120 τάξεις μεγέθους πολύ μεγάλες, τόσο θετικές όσο και αρνητικές. Στο βαθμό που μπορούμε να πούμε, δεν ακυρώνουν ακριβώς, και ακόμα κι αν το έκαναν, έχουμε ακόμα το ενοχλητικό πρόβλημα παρατήρησης ότι το Σύμπαν δεν επαναλαμβάνεται, επιβραδύνεται ή δεν συμπίπτει με μηδενικό ρυθμό. είναι πραγματικά, πραγματικά επιταχυνόμενο. Κατά κάποιο τρόπο υπάρχει μια μικρή αλλά μη μηδενική ενέργεια εγγενής στον ίδιο τον χώρο. Και αυτή η ενέργεια προκαλεί την επιτάχυνση των μακρινών γαλαξιών στο Σύμπαν στην ύφεση τους από εμάς, αν και πολύ αργά, με την πάροδο του χρόνου.

Οι τέσσερις πιθανές μοίρες του Σύμπαντός μας στο μέλλον. το τελευταίο φαίνεται να είναι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε, το οποίο κυριαρχείται από τη σκοτεινή ενέργεια. Πιστωτική εικόνα: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Ίσως το μεγαλύτερο θεωρητικό ερώτημα από όλα είναι γιατί; Γιατί επιταχύνεται το Σύμπαν; Δεν έχουμε κυριολεκτικά καμία καλή εξήγηση για την αιτία αυτής της σκοτεινής ενέργειας. Πρόσφατα εξετάσαμε την πιθανότητα να είναι κατεψυγμένα νετρίνα, ή θα μπορούσε να είναι ένα σύμπτωμα ότι έχουμε κάτι λάθος με το διευρυνόμενο Σύμπαν. Αλλά υπάρχει μια άλλη πιθανότητα που παίρνει πολύ λίγη προσοχή που θα έπρεπε να πάρει πολύ περισσότερα: θα μπορούσε να είναι μια ιδιότητα του ίδιου του κενού χώρου που προκαλείται από την παρουσία άλλων πραγμάτων - όπως η ύλη που δρα ως αποτελεσματικό όριο - στο Σύμπαν.

Και ο λόγος που αυτό είναι δυνατό είναι επειδή αυτό είναι ένα αποτέλεσμα που γνωρίζουμε ότι υπάρχει: το φαινόμενο Casimir.

Μια απεικόνιση του φαινομένου Casimir, και πώς οι δυνάμεις (και οι επιτρεπόμενες / απαγορευμένες καταστάσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) στο εξωτερικό των πλακών είναι διαφορετικές από τις δυνάμεις στο εσωτερικό. Πιστωτική εικόνα: Emok / Wikimedia Commons.

Ποια είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη του κενού χώρου; Φυσικά, δεν είναι τίποτα. Χωρίς χρεώσεις, χωρίς ρεύματα και δεν έχει σημασία να επηρεαστεί, είναι πραγματικά μηδέν. αυτό δεν είναι κόλπο. Αλλά αν βάλετε δύο μεταλλικές πλάκες σε μια πεπερασμένη απόσταση και μετά ρωτήσετε ποια είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, θα διαπιστώσετε ότι δεν είναι μηδέν! Λόγω του γεγονότος ότι μερικοί από τους τρόπους διακύμανσης κενού απαγορεύονται λόγω των ορίων των πλακών, όχι μόνο προβλέπουμε αλλά μετράμε μια μη μηδενική δύναμη μεταξύ αυτών των πλακών, που προκύπτει από τίποτα άλλο από τον ίδιο τον κενό χώρο. Όπως αποδεικνύεται, όλες οι δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένης της βαρυτικής δύναμης, εμφανίζουν επίσης ένα φαινόμενο Casimir.

Ένας χάρτης με περισσότερους από έναν γαλαξίες εκατομμυρίων στο Σύμπαν, όπου κάθε κουκίδα είναι ο δικός του γαλαξίας. Τα διάφορα χρώματα αντιπροσωπεύουν αποστάσεις, με πιο κόκκινα να αντιπροσωπεύουν πιο μακριά. Πιστοποίηση εικόνας: Daniel Eisenstein και η συνεργασία SDSS-III.

Τι συμβαίνει λοιπόν εάν εφαρμόσουμε αυτό το εφέ σε ολόκληρο το Σύμπαν και προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε ποιο θα ήταν το αποτέλεσμα; Η απάντηση είναι απλή: παίρνουμε κάτι που έχει μια μορφή που είναι σύμφωνη με τη σκοτεινή ενέργεια, αν και - για άλλη μια φορά - το μέγεθος είναι λάθος. Αυτό είναι πολύ πιθανό, ωστόσο, μια συνάρτηση του γεγονότος ότι δεν γνωρίζουμε ποιες είναι οι οριακές συνθήκες του Σύμπαντος ή πώς να υπολογίσουμε αυτό το κβαντικό βαρυτικό αποτέλεσμα πολύ καλά. Αλλά είναι μια απίστευτη, καλά ερευνημένη δυνατότητα που έχει πολλές ενδιαφέρουσες εξελίξεις σε εξέλιξη την τελευταία δεκαετία.

Η τρισδιάστατη ανακατασκευή 120.000 γαλαξιών και οι ιδιότητες ομαδοποίησής τους, συνάγεται από τον κόκκινο σχηματισμό και τη μεγάλη δομή τους. Πιστωτική εικόνα: Jeremy Tinker και η συνεργασία SDSS-III.

Η χαρτογράφηση του Σύμπαντος μπορεί να αποδειχθεί το εύκολο μέρος. Ίσως δεν πρόκειται να είναι μια παρατηρητική ή πειραματική ανακάλυψη που θα μας οδηγήσει στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας, της πιο αόριστης δύναμης στο Σύμπαν. Ίσως είναι θεωρητικό που χρειάζεται. Και ίσως σχετίζεται με την ανωμαλία ιχνών, ίσως με τη δυναμική ποσότητα που άλλαξε με την πάροδο του χρόνου, και ίσως είναι ακόμη και ένα σημάδι επιπλέον διαστάσεων. Το Σύμπαν είναι εκεί έξω, και μόλις ανακαλύψαμε πρόσφατα αυτό το πιο δύσκολο να εξηγηθεί μυστικό. Ίσως η λύση, αν είμαστε προσεκτικοί, να βρίσκεται στη φυσική που ήδη γνωρίζουμε.

Το Starts With A Bang είναι τώρα στο Forbes και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συγγράψει δύο βιβλία, το Beyond The Galaxy και το Treknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive.