Od późnych lat dwudziestych astronomowie zdawali sobie sprawę z tego, że Wszechświat jest w stanie ekspansji. Ta realizacja, pierwotnie przewidywana przez Teorię Ogólnej Teorii Względności Einsteina, przyczyniła się do powstania najbardziej powszechnie akceptowanego modelu kosmologicznego - Teorii Wielkiego Wybuchu. Jednak sprawy stały się nieco mylące w latach 90., kiedy lepsze obserwacje wykazały, że tempo ekspansji Wszechświata przyspiesza od miliardów lat.
Doprowadziło to do teorii Ciemnej Energii, tajemniczej niewidzialnej siły, która napędza ekspansję kosmosu. Podobnie jak Ciemna Materia, która wyjaśniła „brakującą masę”, konieczne stało się znalezienie tej nieuchwytnej energii lub przynajmniej zapewnienie jej spójnych ram teoretycznych. Nowe badanie z University of British Columbia (UBC) ma na celu właśnie to, postulując, że Wszechświat rozszerza się z powodu wahań w przestrzeni i czasie.
Badanie - które zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie Przegląd fizyczny D - kierował nią doktorant Qingdi Wang z Wydziału Fizyki i Astronomii UBC. Pod nadzorem profesora UBC Williama Unruha (człowieka, który zaproponował efekt Unruh) i przy pomocy Zhen Zhu (innego doktoranta na UBC), zapewniają nowe spojrzenie na Ciemną Energię.
Zespół rozpoczął od zajęcia się niespójnościami wynikającymi z dwóch głównych teorii, które razem wyjaśniają wszystkie zjawiska naturalne we Wszechświecie. Teorie te to nic innego jak ogólna teoria względności i mechanika kwantowa, które skutecznie wyjaśniają, jak Wszechświat zachowuje się w największej skali (tj. Gwiazdach, galaktykach, gromadach) i najmniejszej (cząstki subatomowe).
Niestety te dwie teorie nie są spójne, jeśli chodzi o małą materię zwaną grawitacją, której naukowcy wciąż nie są w stanie wyjaśnić w zakresie mechaniki kwantowej. Istnienie Ciemnej Energii i ekspansja Wszechświata to kolejny punkt niezgody. Po pierwsze, teorie kandydatów, takie jak energia próżniowa - która jest jednym z najpopularniejszych wyjaśnień Ciemnej Energii - wykazują poważne niezgodności.
Według mechaniki kwantowej energia próżni miałaby do tego niesamowicie dużą gęstość energii. Ale jeśli to prawda, to ogólna teoria względności przewiduje, że energia ta miałaby niewiarygodnie silny efekt grawitacyjny, który byłby wystarczająco silny, aby spowodować, że Wszechświat eksploduje. Jak prof. Unruh udostępnił Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Problem polega na tym, że każde naiwne obliczenie energii próżni daje ogromne wartości. Zakładając, że istnieje pewien rodzaj odcięcia, więc nie można uzyskać gęstości energii znacznie większej niż gęstość energii Plancka (lub około 1095 Dżuli / metr³), a następnie okazuje się, że otrzymujemy stałą Hubble'a - skalę czasu, w której Wszechświat z grubsza podwaja się - rzędu 10-44 sec. Zatem zwykłym podejściem jest stwierdzenie, że w jakiś sposób coś to zmniejsza, aby zamiast tego uzyskać rzeczywistą stopę ekspansji wynoszącą około 10 miliardów lat. Ale to „jakoś” jest dość tajemnicze i nikt nie wymyślił nawet na pół przekonującego mechanizmu ”.
Podczas gdy inni naukowcy próbowali zmodyfikować teorie ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej, aby rozwiązać te niespójności, Wang i jego koledzy szukali innego podejścia. Jak Wang wyjaśnił Space Magazine e-mailem:
„Poprzednie badania albo próbowały w jakiś sposób zmodyfikować mechanikę kwantową, aby zmniejszyć energię próżni, albo w jakiś sposób zmodyfikować ogólną teorię względności, aby osłabić grawitację energii próżni. Jednak mechanika kwantowa i ogólna teoria względności to dwie najbardziej udane teorie, które wyjaśniają, jak działa nasz Wszechświat… Zamiast próbować modyfikować mechanikę kwantową lub ogólną teorię względności, uważamy, że powinniśmy je najpierw lepiej zrozumieć. Poważnie podchodzimy do dużej gęstości energii próżni przewidzianej przez mechanikę kwantową i po prostu pozwalamy im grawitować zgodnie z ogólną teorią względności, nie modyfikując żadnej z nich. ”
Na potrzeby swoich badań Wang i jego koledzy wykonali nowe zestawy obliczeń energii próżni, które uwzględniły jej przewidywaną wysoką gęstość energii. Rozważyli następnie możliwość, że w najmniejszej skali - miliardy razy mniejszej niż elektrony - tkanina czasoprzestrzeni podlega gwałtownym fluktuacjom, oscylując w każdym punkcie między ekspansją a skurczem.
Kiedy się waha, wynik tych oscylacji jest efektem netto, w którym Wszechświat rozszerza się powoli, ale z przyspieszeniem. Po przeprowadzeniu obliczeń zauważyli, że takie wyjaśnienie jest spójne zarówno z istnieniem kwantowej gęstości energii próżni, jak i ogólną teorią względności. Co więcej, jest to również zgodne z tym, co naukowcy obserwowali w naszym Wszechświecie od prawie wieku. Jak to opisał Unruh:
„Nasze obliczenia wykazały, że można konsekwentnie zauważyć, że Wszechświat w najmniejszych skalach rozszerza się i kurczy w absurdalnie szybkim tempie; ale na dużą skalę, ze względu na uśrednienie tych małych skal, fizyka nie zauważyłaby tej „piany kwantowej”. Ma niewielki efekt resztkowy, dając skuteczną stałą kosmologiczną (efekt typu ciemnej energii). W pewnym sensie jest to jak fale na oceanie, które poruszają się tak, jakby ocean był idealnie gładki, ale tak naprawdę wiemy, że istnieje niesamowity taniec atomów tworzących wodę, a fale średnie w tych wahaniach i działają tak, jakby powierzchnia była gładka. ”
W przeciwieństwie do sprzecznych teorii Wszechświata, w których różne siły, które nim rządzą, nie mogą zostać rozwiązane i muszą się wzajemnie znosić, Wang i jego koledzy przedstawiają obraz, w którym Wszechświat jest ciągle w ruchu. W tym scenariuszu skutki energii próżni są w rzeczywistości samoczynne, a także powodują ekspansję i przyspieszenie obserwowane przez cały ten czas.
Choć może być za wcześnie, aby to powiedzieć, ten obraz Wszechświata, który jest bardzo dynamiczny (nawet w najmniejszej skali) może zrewolucjonizować nasze rozumienie czasoprzestrzeni. Te przynajmniej teoretyczne odkrycia z pewnością pobudzą debatę w środowisku naukowym, a także eksperymenty mające na celu dostarczenie bezpośrednich dowodów. I to, jak wiemy, jest jedynym sposobem na lepsze zrozumienie tej rzeczy zwanej Wszechświatem.
