Astronomowie na całym świecie odczuwają zawroty głowy, ponieważ nie mogą się zgodzić co do szybkości rozszerzania się wszechświata.
Odkąd nasz wszechświat wyłonił się z eksplozji maleńkiej plamki o nieskończonej gęstości i grawitacji, zaczął latać balonem i nie w stałym tempie - ekspansja wszechświata staje się coraz szybsza.
Ale od tego, jak szybko się rozwija, czekała go oszałamiająca debata. Pomiary tego współczynnika ekspansji z pobliskich źródeł wydają się być w konflikcie z tym samym pomiarem pobranym z odległych źródeł. Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że w zasadzie dzieje się coś dziwnego we wszechświecie, zmieniając tempo ekspansji.
Jeden z teoretyków zaproponował, że pojawiła się zupełnie nowa cząsteczka, która zmienia przyszłe przeznaczenie całego naszego kosmosu.
Hubble, Hubble, trud i kłopoty
Astronomowie wymyślili wiele sprytnych sposobów mierzenia tego, co nazywają parametrem Hubble'a lub stałą Hubble'a (oznaczoną dla osób o intensywnym życiu jako H0). Liczba ta reprezentuje dziś tempo ekspansji wszechświata.
Jednym ze sposobów pomiaru dzisiejszego tempa ekspansji jest przyjrzenie się pobliskim supernowym, eksplozji gazu i pyłu wystrzelonych z największych gwiazd wszechświata po ich śmierci. Istnieje szczególny rodzaj supernowych o bardzo specyficznej jasności, dzięki czemu możemy porównać ich jasność do tego, jak jasne powinniśmy być, i obliczyć odległość. Następnie, patrząc na światło z galaktyki gospodarza supernowej, astrofizycy mogą również obliczyć, jak szybko się od nas oddalają. Łącząc wszystkie elementy, możemy następnie obliczyć tempo ekspansji wszechświata.
Ale wszechświat to coś więcej niż eksplodowanie gwiazd. Jest też coś, co nazywa się kosmicznym tłem mikrofalowym, które jest pozostawionym światłem tuż po Wielkim Wybuchu, kiedy nasz wszechświat był zwykłym dzieckiem, mającym zaledwie 380 000 lat. Dzięki misjom takim jak satelita Planck, którego zadaniem jest mapowanie tego resztkowego promieniowania, naukowcy mają niezwykle precyzyjne mapy tego tła, które można wykorzystać do uzyskania bardzo dokładnego obrazu zawartości wszechświata. I stamtąd możemy wziąć te składniki i uruchomić zegar z modelami komputerowymi i móc powiedzieć, jaki powinien być dziś poziom ekspansji - zakładając, że podstawowe składniki wszechświata nie zmieniły się od tego czasu.
Te dwa szacunki wystarczająco się nie zgadzają, aby ludzie trochę się martwili, że coś przeoczyliśmy.
Spójrz na ciemną stronę
Być może jeden lub oba pomiary są nieprawidłowe lub niekompletne; wielu naukowców po obu stronach debaty rzuca odpowiednią ilość błota na swoich przeciwników. Ale jeśli założymy, że oba pomiary są dokładne, potrzebujemy czegoś innego, aby wyjaśnić różne pomiary. Ponieważ jeden pomiar pochodzi z bardzo wczesnego wszechświata, a drugi pochodzi z stosunkowo niedawnych czasów, myślę, że być może jakiś nowy składnik w kosmosie zmienia tempo ekspansji wszechświata w sposób, którego jeszcze nie ujęliśmy w naszym modele.
To, co dzisiaj dominuje w ekspansji wszechświata, to tajemnicze zjawisko, które nazywamy ciemną energią. To niesamowita nazwa czegoś, czego w zasadzie nie rozumiemy. Wiemy tylko, że tempo ekspansji wszechświata przyspiesza, a siłę napędzającą to przyspieszenie nazywamy „ciemną energią”.
W naszych porównaniach z młodego wszechświata do współczesnego wszechświata fizycy zakładają, że ciemna energia (cokolwiek to jest) jest stała. Ale przy takim założeniu mamy obecny spór, więc może ciemna energia się zmienia.
Myślę, że warto spróbować. Załóżmy, że ciemna energia się zmienia.
Naukowcy podejrzewają, że ciemna energia ma coś wspólnego z energią zamkniętą w próżni samej czasoprzestrzeni. Energia ta pochodzi ze wszystkich „pól kwantowych”, które przenikają wszechświat.
We współczesnej fizyce kwantowej każdy rodzaj cząstki jest powiązany z własnym polem. Pola te przemywają całą czasoprzestrzeń, a czasem ich fragmenty są naprawdę podekscytowane miejscami, stając się cząstkami, które znamy i kochamy - jak elektrony, kwarki i neutrina. Więc wszystkie elektrony należą do pola elektronowego, wszystkie neutrina należą do pola neutrin i tak dalej. Interakcja tych pól stanowi fundament naszej wiedzy na temat świata kwantowego.
I bez względu na to, dokąd idziesz we wszechświecie, nie możesz uciec przed polami kwantowymi. Nawet jeśli nie wibrują wystarczająco w określonym miejscu, aby wytworzyć cząsteczkę, nadal tam są, kołysząc się i wibrując i wykonując swoje normalne zjawisko kwantowe. Zatem te pola kwantowe mają podstawową ilość energii związaną z nimi, nawet w samej pustej próżni.
Jeśli chcemy wykorzystać egzotyczną energię kwantową próżni czasoprzestrzeni do wyjaśnienia ciemnej energii, natychmiast napotkamy problemy. Kiedy wykonujemy bardzo proste, bardzo naiwne obliczenia, ile energii jest w próżni z powodu wszystkich pól kwantowych, otrzymujemy liczbę o około 120 rzędów wielkości silniejszą niż to, co obserwujemy jako ciemną energię. Ups
Z drugiej strony, gdy próbujemy bardziej wyrafinowanych obliczeń, otrzymujemy liczbę zero. Co również nie zgadza się ze zmierzoną ilością ciemnej energii. Ups, znowu.
Bez względu na wszystko, naprawdę ciężko jest nam zrozumieć ciemną energię za pomocą języka próżniowej energii czasoprzestrzeni (energii wytwarzanej przez te pola kwantowe). Ale jeśli te pomiary szybkości ekspansji są dokładne, a ciemna energia naprawdę się zmienia, może to dać nam wskazówkę co do natury tych pól kwantowych. W szczególności, jeśli zmienia się ciemna energia, oznacza to, że zmieniły się same pola kwantowe.
Pojawia się nowy wróg
W ostatnim artykule opublikowanym online w czasopiśmie arXiv, fizyk teoretyczny Massimo Cerdonio z Uniwersytetu w Padwie obliczył zmianę w polach kwantowych potrzebną do uwzględnienia zmiany ciemnej energii.
Jeśli istnieje nowe pole kwantowe odpowiedzialne za zmianę ciemnej energii, oznacza to, że we wszechświecie istnieje nowa cząstka.
A wielkość zmiany ciemnej energii, którą obliczył Cerdonio, wymaga pewnego rodzaju masy cząstek, która okazuje się w przybliżeniu taką samą masą nowego rodzaju cząstek, która została już przewidywana: tak zwanym axionem. Fizycy wymyślili tę teoretyczną cząsteczkę, aby rozwiązać niektóre problemy z naszym kwantowym zrozumieniem silnej siły jądrowej.
Ta cząstka prawdopodobnie pojawiła się w bardzo wczesnym wszechświecie, ale „czaiła się” w tle, podczas gdy inne siły i cząstki kontrolowały kierunek wszechświata. A teraz kolej na osi…
Mimo to nigdy nie wykryliśmy osi, ale jeśli te obliczenia są prawidłowe, oznacza to, że osi jest na zewnątrz, wypełniając wszechświat i jego pole kwantowe. Również ta hipotetyczna oś staje się zauważalna poprzez zmianę ilości ciemnej energii w kosmosie. Może być tak, że chociaż nigdy nie widzieliśmy tej cząsteczki w laboratorium, już zmienia nasz wszechświat w największej skali.
