Kiedy 20 lat temu stało się jasne, że ekspansja Wszechświata przyspiesza, naukowcy przedstawili pełne, proste i sprawdzalne wyjaśnienie. Ale gdy napływało coraz więcej danych eksperymentalnych i obserwacyjnych, przyczyna ciemnej energii - prawdopodobnie przyczyna tego przyspieszenia - pozostawała nieuchwytna. Chociaż jest to technicznie równoważne „stałej kosmologicznej” (lub energii zawartej w samej przestrzeni), nie ma sposobu, aby wywnioskować jego wartość. Ale jeśli pamiętamy, że umieszczenie pewnych form materii w pustej przestrzeni zmienia siły działające na tę materię, możliwe jest, że ciemna energia powstaje zgodnie z bardzo prostą zasadą: ponieważ materia jako taka istnieje w naszym Wszechświecie.
Mapa skupisk galaktyk w naszym Wszechświecie. Obecność tych struktur może w całości wyjaśnić obecność i moc ciemnej energii.
Źródła większości sił i zjawisk są łatwe do odkrycia. Dwa masywne obiekty doświadczają siły grawitacji ze względu na fakt, że czasoprzestrzeń jest wypaczona z powodu obecności materii i energii. Wszechświat rozszerzył się, ponieważ ma swoją własną historię zmian gęstości energii we wszechświecie i początkowe warunki ekspansji. Wszystkie cząstki we Wszechświecie oddziałują w określony sposób dzięki dobrze znanym regułom kwantowej teorii pola i wymianie bozonów wektorowych. Od najmniejszych cząstek subatomowych po największe łuski działają te same siły, które napędzają bozony i galaktyki.
Silne oddziaływanie, które występuje z powodu „zmiany koloru” i wymiany gluonów, utrzymuje razem jądra atomów
Nawet najbardziej tajemnicze zjawiska u ich podstaw zawierają dobrze zrozumiałe wyjaśnienia. Nie wiemy, dlaczego we Wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii, ale wiemy, że potrzebne nam do tego warunki - naruszenie liczby barionowej, naruszenie C i CP - zachodzą. Nie wiemy, jaka jest natura ciemnej materii, ale jej ogólne właściwości, gdzie się znajduje i jak się skupia, są dobrze poznane. Nie wiemy również, czy czarne dziury zachowują informacje, czy nie, ale rozumiemy ostateczny i początkowy stan tych obiektów, a także sposób ich narodzin i tego, co dzieje się z ich horyzontami zdarzeń w czasie.
Ilustracja czarnej dziury i jej otoczenia, przyspieszającego i nadmuchującego dysku akrecyjnego. Początkowe i końcowe stany czarnych dziur można dobrze przewidzieć, nawet jeśli utrata lub przechowywanie informacji nie jest
Ale jest jedna rzecz, której w ogóle nie rozumiemy: ciemna energia. Oczywiście możemy zmierzyć przyspieszenie Wszechświata i dokładnie zrozumieć jego wielkość. Ale dlaczego w ogóle mamy wszechświat z niezerową ciemną energią? Dlaczego pusta przestrzeń, w której nie ma nic - nie ma znaczenia, żadnej krzywizny, żadnego promieniowania, nic - ma dodatnią niezerową energię? I dlaczego ta ilość energii, która była niezrozumiale mała i zupełnie niewidoczna w ciągu pierwszego miliarda lat historii Wszechświata, zaczęła pochłaniać Wszechświat dopiero w momencie pojawienia się w nim Ziemi?
Ilustracja dysku protoplanetarnego, w którym tworzą się planety i planetozymale, tworząc przerwy w dysku. Cztery do pięciu miliardów lat temu, kiedy formował się nasz Układ Słoneczny, ciemna energia jednocześnie zaczęła wychwytywać ekspansję wszechświata i gęstość energii
Film promocyjny:
Jest wiele interesujących rzeczy, które możemy skojarzyć z ciemną energią i wszechświatem jako całością. Jest dużo pustej przestrzeni, którą przenikają pola kwantowe. Nie ma regionów we Wszechświecie, w które przenikają siły grawitacyjne, elektromagnetyczne lub jądrowe; są wszędzie. Jeśli spróbujemy obliczyć tak zwaną wartość oczekiwaną próżni (kondensat) różnych pól kwantowych, mamy do czynienia z nieskończoną liczbą składników i możemy ją zapisać tylko w przybliżeniu. Zawsze będziemy mieć do czynienia z wartościami przybliżonymi. O ile wiemy, nie są one zrównoważone, a wszechświat nie zwalnia - w rzeczywistości przyspiesza. W jakiś sposób sama przestrzeń ma trochę niezerowej energii. Ta energia sprawia, że odległe galaktyki we Wszechświecie oddalają się od nas z coraz większą prędkością,choć powoli, ale stale.
Pytanie „dlaczego?” nigdy nie przestaje dręczyć teoretyków. Dlaczego wszechświat rozszerza się coraz szybciej? Nie możemy w niczym wyjaśnić obecności tej ciemnej energii. Być może niewiele wiemy o samym wszechświecie. Jest jednak inna opcja, o której rzadko się myśli: być może ta właściwość pustej przestrzeni jest determinowana obecnością innych rzeczy - takich jak materia - we Wszechświecie.
I jest powód, by sądzić, że jest to możliwe, co nazywa się efektem Casimira. Znamy go dobrze.
Ilustracja efektu Casimira i tego, jak siły na zewnątrz płyt różnią się od sił między nimi
Jaka jest siła elektromagnetyczna pustej przestrzeni? Oczywiście zero. W przypadku braku ładunków, prądów i materii do interakcji będzie zero, bez żartów. Ale jeśli umieścisz dwie metalowe płytki w pewnej odległości między nimi, a następnie ponownie zapytasz, jaka będzie siła elektromagnetyczna, przestanie wynosić zero. Ze względu na to, że niektóre mody fluktuacji kwantowych są zabronione ze względu na granice płytki, nie tylko przewidujemy, ale także mierzymy niezerową siłę między tymi płytami, która pojawia się dosłownie z pustej przestrzeni. A co najciekawsze, wszystkie siły, w tym grawitacyjne, wykazują efekt Casimira.
Mapa ponad miliona galaktyk we Wszechświecie; w każdym punkcie znajduje się oddzielna galaktyka. Różne kolory przedstawiają odległości; czerwony - dalej
Co się dzieje, gdy próbujemy zastosować ten efekt do całego wszechświata i obliczyć efekt? Odpowiedź jest prosta: otrzymujemy coś, co w jakiejś formie odpowiada ciemnej energii, tylko - znowu - innej kolejności. A może tak być, ponieważ nie do końca wiemy, jakie są warunki brzegowe Wszechświata ani jak poprawnie obliczyć efekt kwantowo-grawitacyjny.
Mapowanie wszechświata może być najłatwiejszą częścią. Jest mało prawdopodobne, że będziemy czekać na obserwowany lub eksperymentalny przełom, który doprowadzi nas do zrozumienia ciemnej energii, najbardziej nieuchwytnej siły we wszechświecie. Być może potrzebujemy teoretycznego przełomu. I być może będzie to związane ze śladową anomalią, zmianą wielkości dynamicznej lub nawet śladem dodatkowych wymiarów. Dopiero niedawno odkryliśmy najtrudniejszy do wyjaśnienia sekret. Być może rozwiązaniem będzie fizyka, którą już znamy.
Ilya Khel