Od poznih dvajsetih let prejšnjega stoletja se astronomi zavedajo dejstva, da je Vesolje v stanju širjenja. Sprva je predvidel Einsteinova teorija splošne relativnosti, to spoznanje je nadaljevalo z informacijami o najbolj sprejetem kozmološkem modelu – Teorija velikega poka . Vendar so stvari postale nekoliko zmedene v devetdesetih letih, ko so izboljšana opazovanja pokazala, da se stopnja širjenja vesolja pospešuje že milijarde let.
To je pripeljalo do teorije o Temna energija , skrivnostna nevidna sila, ki poganja širitev kozmosa. Podobno kot temna snov, ki je razložila »manjkajočo maso«, je bilo nato potrebno najti to izmuzljivo energijo ali vsaj zagotoviti koherenten teoretični okvir zanjo. A nova študija z Univerze Britanske Kolumbije (UBC) skuša narediti prav to s postulacijo, da se Vesolje širi zaradi nihanj v prostoru in času.
Študija, ki je bila nedavno objavljena v reviji Fizični pregled D – vodil Qingdi Wang, doktorski študent na Oddelku za fiziko in astronomijo na UBC. Pod nadzorom profesorja UBC Williama Unruha (človek, ki je predlagal Učinek Unruh ) in s pomočjo Zhen Zhuja (še enega doktorskega študenta na UBC) ponujajo nov pogled na temno energijo.
Diagram, ki prikazuje vesolje Lambda-CBR, od velikega poka do sedanje dobe. Zasluge: Alex Mittelmann/Coldcreation
Ekipa je začela z obravnavanjem nedoslednosti, ki izhajajo iz dveh glavnih teorij, ki skupaj pojasnjujeta vse naravne pojave v vesolju. Te teorije niso nič drugega kot splošna relativnost in kvantna mehanika, ki učinkovito pojasnjujeta, kako se vesolje obnaša na največji lestvici (tj. zvezde, galaksije, kopice) in najmanjših (subatomski delci).
Na žalost ti dve teoriji nista skladni, ko gre za majhno snov, znano kot gravitacija, ki je znanstveniki še vedno ne morejo razložiti v smislu kvantne mehanike. Obstoj temne energije in širitev vesolja sta še ena točka nestrinjanja. Za začetek, teorije kandidatov, kot je vakuumska energija – ki je ena izmed najbolj priljubljenih razlag za temno energijo – predstavljajo resne neskladnosti.
Po kvantni mehaniki bi imela vakuumska energija neverjetno veliko energijsko gostoto. Toda če je to res, potem splošna relativnost napoveduje, da bi ta energija imela neverjetno močan gravitacijski učinek, ki bi bil dovolj močan, da bi vesolje eksplodiralo. Kot je prof. Unruh delil z Universe Today po e-pošti:
»Težava je v tem, da vsak naiven izračun vakuumske energije daje ogromne vrednosti. Če predpostavimo, da obstaja nekakšna meja, tako da ne moremo dobiti gostote energije, ki je veliko večja od Planckove gostote energije (ali približno 1095Joules/meter³) , nato ugotovimo, da dobimo Hubblovo konstanto – časovno lestvico, na kateri se Vesolje približno podvoji – reda 10-44sek. Običajni pristop je torej reči, da to nekako zmanjša, tako da namesto tega dobimo dejansko stopnjo širitve približno 10 milijard let. Toda to 'nekako' je precej skrivnostno in nihče se ni izmislil niti na pol prepričljivega mehanizma.'
Časovnica velikega poka in širitve vesolja. Zasluge: NASA
Medtem ko so drugi znanstveniki poskušali spremeniti teorije splošne relativnosti in kvantne mehanike, da bi odpravili te nedoslednosti, so Wang in njegovi sodelavci iskali drugačen pristop. Kot je Wang pojasnil za Universe Today po e-pošti:
»Prejšnje študije so bodisi poskušale spremeniti kvantno mehaniko na nek način, da bi bila energija vakuuma majhna, ali poskušali spremeniti splošno relativnost na nek način, da bi gravitacija otrpnila za energijo vakuuma. Vendar sta kvantna mehanika in splošna relativnost dve najuspešnejši teoriji, ki pojasnjujeta, kako deluje naše vesolje ... Namesto da bi poskušali spremeniti kvantno mehaniko ali splošno relativnost, menimo, da bi ju morali najprej bolje razumeti. Veliko gostoto energije vakuuma, ki jo napoveduje kvantna mehanika, jemljemo resno in jih pustimo, da gravitirajo v skladu s splošno relativnostjo, ne da bi spremenili katero koli od njih.
Zaradi svoje študije so Wang in njegovi sodelavci izvedli nove sklope izračunov o energiji vakuuma, ki so upoštevali njeno predvideno visoko gostoto energije. Nato so preučili možnost, da je na najmanjših lestvicah – milijarde krat manjših od elektronov – tkanina prostora-časa izpostavljena divjim nihanjem, ki nihajo na vsaki točki med širjenjem in krčenjem.
Ali bi lahko nihanja na najmanjših ravneh vesoljskega časa pojasnila temno energijo in širjenje kozmosa? Zasluge: Univerza v Washingtonu
Ko se niha naprej in nazaj, je rezultat teh nihanj neto učinek, ko se Vesolje širi počasi, a pospešeno. Po opravljenih izračunih so ugotovili, da je taka razlaga skladna tako z obstojem kvantne vakuumske gostote energije kot s splošno relativnostjo. Poleg tega je tudi v skladu s tem, kar znanstveniki opazujejo v našem vesolju že skoraj stoletje. Kot je to opisal Unruh:
»Naši izračuni so pokazali, da je mogoče dosledno upoštevati [da] se vesolje v najmanjših merilih dejansko širi in krči z absurdno hitro hitrostjo; a da v velikem obsegu zaradi povprečja teh drobnih lestvic fizika ne bi opazila te 'kvantne pene'. Ima majhen preostali učinek pri zagotavljanju učinkovite kozmološke konstante (učinek tipa temne energije). Na nek način je kot valovi po oceanu, ki potujejo, kot da bi bil ocean popolnoma gladek, vendar res vemo, da obstaja ta neverjeten ples atomov, ki sestavljajo vodo, in valovi v povprečju teh nihanj delujejo, kot da površina je bila gladka.'
V nasprotju z nasprotujočimi si teorijami o vesolju, kjer različnih sil, ki ga upravljajo, ni mogoče razrešiti in se morajo medsebojno izničiti, Wang in njegovi sodelavci predstavljajo sliko, kjer je Vesolje nenehno v gibanju. V tem scenariju se učinki vakuumske energije dejansko samoizničijo in povzročajo tudi širitev in pospeševanje, ki ju opazujemo ves ta čas.
Čeprav je morda prezgodaj reči, bi ta podoba vesolja, ki je zelo dinamično (tudi v najmanjših merilih), lahko revolucionirala naše razumevanje prostor-časa. Vsaj te teoretične ugotovitve bodo zagotovo spodbudile razpravo v znanstveni skupnosti, pa tudi poskuse, zasnovane tako, da ponudijo neposredne dokaze. In kot vemo, je to edini način, da izboljšamo naše razumevanje te stvari, znane kot Vesolje.
Nadaljnje branje: Novice UBC , Fizični pregled D