Pełny kompozyt XDF w zakresie widzialnym UV-IR; największy jak dotąd obraz odległego Wszechświata. Każda pokazana tutaj galaktyka w końcu przyspieszy od nas z prędkością większą niż prędkość światła, dzięki ciemnej energii. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, H. Teplitz i M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) i Z. Levay (STScI).

Nowe wyjaśnienie ciemnej energii: materia w naszym Wszechświecie

W jaki sposób grawitacyjny efekt Casimira może spowodować przyspieszoną ekspansję naszego Wszechświata, bez żadnej nowej fizyki.

„Bo chociaż z pewnością prawdą jest, że pomiary ilościowe mają ogromne znaczenie, poważnym błędem jest przypuszczenie, że cała fizyka eksperymentalna może być objęta tym tytułem.” -Hendrik Casimir

Odkąd ekspansja Wszechświata po raz pierwszy przyspieszyła prawie 20 lat temu, naukowcy pragnęli przekonującego, prostego i sprawdzalnego wyjaśnienia. Jednak gdy przybywało coraz więcej danych z eksperymentów i obserwacji, przyczyna tej ciemnej energii - hipotetyczna przyczyna przyspieszenia - była oszałamiająco nieuchwytna. Chociaż jest funkcjonalnie równoważny „stałej kosmologicznej” (lub „energii właściwej samej przestrzeni”), nie ma dobrego sposobu na oszacowanie jej wartości. Jeśli jednak weźmiecie pod uwagę, że umieszczenie pewnych form materii w pustej przestrzeni zmienia siły na tej materii, być może ciemna energia powstaje z najprostszej przyczyny: faktu, że nasz Wszechświat w ogóle zawiera materię.

Mapa wzoru zlepiania się gromad, który galaktyki w naszym wszechświecie wykazują dzisiaj. Obecność tych struktur może wyjaśniać obecność i wielkość ciemnej energii w całości. Źródło zdjęcia: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center.

Większość sił i zjawisk we Wszechświecie ma przyczyny, które można łatwo odkryć. Dwa masywne obiekty doświadczają siły grawitacyjnej z powodu faktu, że czasoprzestrzeń jest zakrzywiona przez obecność materii i energii. Wszechświat rozszerzył się tak jak w swojej historii z powodu zmieniającej się gęstości energii Wszechświata i początkowych warunków ekspansji. Wszystkie cząstki we Wszechświecie doświadczają interakcji, które wykonują z powodu znanych zasad kwantowej teorii pola i wymiany bozonów wektorowych. Od najmniejszych cząstek subatomowych po największe łuski ze wszystkich, działają te same siły, utrzymując wszystko, od protonów przez ludzi, przez planety po galaktyki.

Silna siła, działająca tak, jak działa z powodu istnienia „ładunku koloru” i wymiany gluonów, jest odpowiedzialna za siłę, która utrzymuje jądra atomowe razem. Źródło zdjęcia: użytkownik Wikimedia Commons Qashqaiilove.

Nawet niektóre z bardziej tajemniczych zjawisk mają wyjaśnienia leżące u podstaw, które są dobrze zrozumiane. Nie wiemy, jak we Wszechświecie musiało być więcej materii niż antymaterii, ale wiemy, że warunki, których potrzebujemy - naruszenie liczby barionów, warunki równowagi oraz naruszenie C i CP - istnieją. Nie wiemy, jaka jest natura ciemnej materii, ale jej ogólne właściwości, gdzie się znajduje i jak się zlepia, są dobrze znane. I nie wiemy, czy czarne dziury zachowują informacje, czy nie, ale rozumiemy końcowe i początkowe stany tych obiektów, a także sposób ich powstawania i to, co dzieje się z ich horyzontami zdarzeń w czasie.

Ilustracja czarnej dziury i jej otoczenia, przyspieszający i infallujący dysk akrecyjny. Początkowe i końcowe stany czarnych dziur można dobrze przewidzieć, nawet jeśli obecnie nie ma możliwości utraty lub zatrzymania informacji. Źródło zdjęcia: NASA.

Ale jest jedna rzecz, której w ogóle nie rozumiemy: ciemna energia. Jasne, możemy zmierzyć przyspieszenie Wszechświata i dokładnie określić jego wielkość. Ale dlaczego w ogóle mamy Wszechświat o niezerowej wartości ciemnej energii? Dlaczego pusta przestrzeń, pozbawiona wszystkiego - bez względu na to, bez krzywizny, bez promieniowania, bez czegokolwiek - powinna mieć dodatnią, niezerową energię? Dlaczego miałby powodować ekspansję samego Wszechświata w zawsze dodatnim, nigdy nie sięgającym zera tempie? I dlaczego ta ilość energii, która była tak niewiarygodnie mała, że ​​była całkowicie niezauważalna przez pierwsze kilka miliardów lat historii Wszechświata i zdominowała Wszechświat dopiero w czasie, gdy Ziemia była formowana?

Ilustracja dysku protoplanetarnego, na którym najpierw tworzą się planety i planetozymale, tworząc wtedy „szczeliny” na dysku. Około cztery do pięciu miliardów lat temu, kiedy formował się nasz Układ Słoneczny, ciemna energia jednocześnie zdominowała tempo ekspansji i gęstość energii Wszechświata. Źródło zdjęcia: NAOJ.

Jest wiele rzeczy, które możemy odnotować na temat ciemnej energii i Wszechświata, które są interesujące i sugerują związek. Jest dużo pustej przestrzeni i wiemy, że są na niej pola kwantowe. Nie ma obszarów Wszechświata, w których siły grawitacyjne, elektromagnetyczne lub nuklearne nie mogą dosięgnąć; są absolutnie wszędzie. Jeśli spróbujemy obliczyć, co nazywamy wartością oczekiwanej próżni (VEV) różnych pól kwantowych, najpierw możemy to zrobić tylko w przybliżeniu, ponieważ istnieje nieskończona liczba warunków, które możemy zapisać, które przechodzą do arbitralnie wysokiego rzędu . Jeśli skrócimy serię w dowolnym momencie, możemy zsumować przybliżony wkład i jesteśmy bardzo rozczarowani.

Kilka terminów przyczyniających się do energii punktu zerowego w elektrodynamice kwantowej. Źródło zdjęcia: RL Jaffe, z https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Jeśli wykonamy tę matematykę, otrzymamy wkłady o około 120 rzędów wielkości za duże, zarówno pozytywne, jak i negatywne. O ile możemy powiedzieć, nie anulują dokładnie, a nawet jeśli tak, nadal mamy ten nieznośny problem obserwacyjny, że Wszechświat nie przypomina, nie zwalnia ani nie asymptotuje do zera; to naprawdę, naprawdę przyspieszające. Jakoś istnieje mała, ale niezerowa energia związana z samą przestrzenią kosmiczną. Ta energia powoduje, że odległe galaktyki we Wszechświecie przyśpieszają w czasie swojej recesji, choć bardzo powoli, z czasem.

Cztery możliwe losy naszego Wszechświata w przyszłości; ostatnim wydaje się być Wszechświat, w którym żyjemy, zdominowany przez ciemną energię. Źródło zdjęcia: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Być może największym teoretycznym pytaniem jest dlaczego? Dlaczego Wszechświat przyspiesza? Dosłownie nie mamy dobrego wyjaśnienia, co jest przyczyną tej ciemnej energii. Niedawno przyjrzeliśmy się możliwości, że są to zamrożone neutrina lub może to być symptom naszego błędu w rozszerzającym się Wszechświecie. Ale jest jeszcze jedna możliwość, która zyskuje bardzo mało uwagi, która powinna zyskać o wiele więcej: może to być właściwość samej pustej przestrzeni, spowodowana obecnością innych rzeczy - jak materia działająca jako skuteczna granica - we Wszechświecie.

Powodem tego jest fakt, że jest to znany nam efekt: efekt Casimira.

Ilustracja efektu Casimira oraz tego, w jaki sposób siły (i dozwolone / zabronione stany pola elektromagnetycznego) na zewnątrz płyt różnią się od sił wewnątrz. Źródło zdjęcia: Emok / Wikimedia Commons.

Jaka jest siła elektromagnetyczna pustej przestrzeni? Oczywiście nic. Bez ładunków, bez prądów i bez względu na wpływ, naprawdę wynosi zero; to nie jest sztuczka. Ale jeśli umieścisz dwie metalowe płyty w ograniczonej odległości od siebie, a następnie zapytasz, jaka jest siła elektromagnetyczna, przekonasz się, że nie jest to zero! Z uwagi na fakt, że niektóre tryby fluktuacji próżni są zabronione ze względu na granice płyt, nie tylko przewidujemy, ale mierzymy niezerową siłę między tymi płytami, wynikającą z niczego poza samą pustą przestrzenią. Jak się okazuje, wszystkie siły, w tym siła grawitacji, również wykazują efekt Casimira.

Mapa ponad miliona galaktyk we Wszechświecie, gdzie każda kropka jest własną galaktyką. Różne kolory przedstawiają odległości, a bardziej czerwone - dalej. Zdjęcie: Daniel Eisenstein i współpraca SDSS-III.

Co się stanie, jeśli zastosujemy ten efekt do całego Wszechświata i spróbujemy obliczyć, jaki powinien być efekt? Odpowiedź jest prosta: otrzymujemy coś, co ma formę zgodną z ciemną energią, chociaż - po raz kolejny - wielkość jest błędna. Jest to jednak całkiem możliwe, że jest to spowodowane faktem, że nie wiemy, jak wyglądają warunki brzegowe Wszechświata lub jak bardzo dobrze obliczyć ten kwantowy efekt grawitacyjny. Ale jest to niesamowita, dobrze zbadana możliwość, która ma wiele interesujących zmian w ciągu ostatniej dekady.

Rekonstrukcja 3D 120 000 galaktyk i ich właściwości skupiania, wywnioskowane na podstawie przesunięcia ku czerwieni i tworzenia struktur na dużą skalę. Zdjęcie: Jeremy Tinker i współpraca SDSS-III.

Mapowanie Wszechświata może okazać się łatwą częścią. Być może nie będzie to przełom obserwacyjny ani eksperymentalny, który doprowadzi nas do zrozumienia ciemnej energii, najbardziej nieuchwytnej siły we Wszechświecie. Być może jest to teoretyczny, który jest potrzebny. Być może jest to związane z anomalią śladową, być może jest to wielkość dynamiczna, która zmienia się w czasie, a może nawet znak dodatkowych wymiarów. Wszechświat już istnieje i dopiero niedawno odkryliśmy ten najtrudniejszy do wyjaśnienia sekret. Być może rozwiązaniem, jeśli będziemy ostrożni, może być fizyka, którą już znamy.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.