Jak wszyscy wiedzą, wszechświat stale się rozszerza. Ale wielu nawet nie zdaje sobie sprawy, że proces przyspiesza i że fizycy nie mają rozsądnego wytłumaczenia tego zjawiska. Grupa teoretyków zasugerowała, że w grę wchodzi tajemnicza „ciemna energia”, a teraz powiemy w przystępnej formie, co to jest.
Od prawie dwóch dekad astronomowie wiedzą, że rozszerzanie się Wszechświata przyspiesza, tak jakby tajemnicza „ciemna energia” nadmuchała go od wewnątrz, jak balon. Ta energia pozostaje dziś jedną z największych tajemnic w fizyce. Teraz trójka teoretyków twierdzi, że ciemna energia pochodzi z niesamowitego źródła. Choć może to zabrzmieć przerażająco, ich zdaniem jest to sprzeczne z podstawami fizyki, których wszyscy nauczyli się w szkole: ilość całkowitej energii we Wszechświecie nie jest ustalona i niezmieniona, może stopniowo zanikać.
Zdaniem naukowców ciemna energia może być specjalnym polem, podobnym do elektrycznego, wypełniającym przestrzeń. Z drugiej strony może być częścią samego kosmosu, który jest nazywany stałą kosmologiczną (inaczej termin lambda). Drugi scenariusz wygląda jak kpina z teorii względności Einsteina, która twierdzi, że grawitacja występuje, gdy masa i energia zakrzywiają przestrzeń i czas. W rzeczywistości stała kosmologiczna jest również wynalazkiem Einsteina i wymyślił ją dosłownie, dodając stałą do swoich równań, aby wyjaśnić, jak wszechświat opiera się zniszczeniu przez własną grawitację. Jednak porzucił ten pomysł, gdy astronomowie odkryli w latach dwudziestych XX wieku, że wszechświat nie jest statyczny, ale rozszerza się, jakby powstał z eksplozji.
Po bliższej obserwacji stało się jasne, że ekspansja Wszechświata przyspiesza, a stała kosmologiczna powróciła. Jednak w ramach mechaniki kwantowej staje się znacznie bardziej przebiegły. Mechanika kwantowa sugeruje, że sama próżnia musi niepostrzeżenie oscylować. Ogólnie rzecz biorąc, te drobne fluktuacje kwantowe wytwarzają energię, która posłuży jako stała kosmologiczna. Jednak wszystkie inne rzeczy są równe, aby zniszczyć wszechświat, musi być o 120 rzędów wielkości większy. Zatem wyjaśnienie, dlaczego stała kosmologiczna, mimo że istnieje, ale w bardzo skromnej formie, jest wielką zagadką dla fizyków. Kiedy nie było to jeszcze konieczne, fizycy po prostu założyli, że jakiś nieznany dotąd efekt po prostu zredukuje go do zera.
Obecnie Thibault Josette i Alejandro Perez z Uniwersytetu Aix-Marseille we Francji oraz Daniel Sudarski z Narodowego Autonomicznego Uniwersytetu Meksyku w Mexico City twierdzą, że znaleźli sposób na ustalenie rozsądnej wartości stałej kosmologicznej. Zaczęli od wersji ogólnej teorii względności, którą wymyślił sam Einstein, nazwanej unimodularną grawitacją. Ogólna teoria względności zakłada matematyczną symetrię, ogólną kowariancję, co oznacza, że bez względu na to, jak określisz położenie współrzędnej w czasie i przestrzeni, przewidywania teoretyczne pozostaną takie same. Ta symetria wymaga zachowania energii i pędu. Unimodular Gravity ma bardziej ograniczoną wersję tej matematycznej symetrii.
Ten system odtwarza większość założeń ogólnej teorii względności. Jednak zgodnie z nią kwantowe fluktuacje próżni nie tworzą grawitacji ani nie wpływają na stałą kosmologiczną (która przecież jest tylko stałą matematyczną, a jej wartość może być dowolna). Ale ma to swoją cenę: unimodularna grawitacja nie wymaga energii do oszczędzania, więc teoretycy muszą ją arbitralnie ograniczać.
Trio naukowców wykazało, że unimodularna grawitacja, jeśli zostanie zaakceptowana i dopuszczona do naruszenia prawa zachowania energii i pędu, w rzeczywistości ustala wartość wyznaczonej stałej. Argument jest matematyczny, ale w rzeczywistości nawet niewielka część energii, która zanika we Wszechświecie, pozostawia ślad w postaci zmiany stałej kosmologicznej. „Ciemna energia w naszym modelu jest dokładnie wynikiem tego, ile energii i pędu zostało utracone we wszechświecie w ciągu całego jego istnienia” - mówi Perez.
Aby udowodnić, że ich teoria jest rozsądna i ma zastosowanie do rzeczywistości, naukowcy rozważali dwa scenariusze, w jaki sposób naruszenie prawa zachowania energii teoretycznie wpłynęłoby na fundamentalne problemy mechaniki kwantowej. Na przykład teoria ciągłej spontanicznej lokalizacji (CSL) próbuje wyjaśnić, dlaczego cząstki subatomowe, takie jak elektrony, mogą dosłownie znajdować się w dwóch miejscach w tym samym czasie, ale tak duże obiekty, jak samochody lub ludzie, nie mogą. CSL zakłada, że takie stany materii powstają samorzutnie i rozpadają się w zależności, która wzrasta wraz ze wzrostem objętości obiektu, co oznacza, że duży obiekt po prostu nie może być „podwójny” w warunkach ziemskich. Wbrew tej teorii jest fakt, że nie uwzględnia ona zachowania energii. Jednak teoretycy pokazali, że suma naruszeń przepisów dotyczących zachowania energii to tylko tyle,aby podać stałą kosmologiczną o pożądanym rozmiarze.
Film promocyjny:
Niemniej jednak, zdaniem niektórych naukowców, teoretycy po prostu bawią się matematyką. Nadal muszą zakładać, że stała kosmologiczna zaczyna się od jakiejś małej wartości, ale nie wyjaśniają tego aspektu. Jednak współczesna fizyka jest pełna niewyjaśnionych stałych, takich jak ładunek elektronu lub prędkość światła, więc jest to kolejna stała na długiej liście.