Od konce dvacátých let si astronomové uvědomují, že vesmír je ve stavu expanze. Tato realizace, která byla původně předpovězena Einsteinovou teorií obecné relativity, pokračovala v informování nejobsáhlejšího kosmologického modelu - Teorie velkého třesku. Během 90. let se však věci staly matoucí, když zlepšená pozorování ukázala, že míra expanze vesmíru se zrychluje už miliardy let.
To vedlo k teorii temné energie, tajemné neviditelné síly, která řídí expanzi vesmíru. Stejně jako temná hmota, která vysvětlovala „chybějící hmotu“, bylo nutné najít tuto nepolapitelnou energii, nebo alespoň poskytnout koherentní teoretický rámec pro ni. Nová studie z University of British Columbia (UBC) se snaží dělat jen to, že postulováním vesmíru se rozšiřuje kvůli fluktuacím v prostoru a čase.
Studie - která byla nedávno zveřejněna v časopise Fyzická kontrola D - byl veden Qingdi Wangem, studentem doktorského studia na Katedře fyziky a astronomie v UBC. Pod dohledem profesora UBC Williama Unruha (muže, který navrhl efekt Unruh) a za pomoci Zhen Zhu (dalšího studenta PhD v UBC), poskytují nový pohled na Dark Energy.
Tým začal tím, že se zabýval nesrovnalostmi vyplývajícími ze dvou hlavních teorií, které společně vysvětlují všechny přírodní jevy ve vesmíru. Tyto teorie nejsou nikdo jiný než Obecná relativita a kvantová mechanika, které účinně vysvětlují, jak se vesmír chová na největších stupnicích (tj. Hvězdy, galaxie, shluky) a nejmenších (subatomické částice).
Bohužel tyto dvě teorie nejsou konzistentní, pokud jde o maličkost známou jako gravitace, kterou vědci stále nedokážou vysvětlit z hlediska kvantové mechaniky. Existence temné energie a expanze vesmíru jsou dalším bodem neshody. Pro začátečníky představují teorie kandidátů, jako je vakuová energie - což je jedno z nejpopulárnějších vysvětlení pro Dark Energy - vážné nesrovnalosti.
Podle kvantové mechaniky by vakuová energie měla neuvěřitelně velkou hustotu energie. Ale pokud je to pravda, pak obecná relativita předpovídá, že tato energie bude mít neuvěřitelně silný gravitační účinek, takový, který by byl dostatečně silný, aby způsobil explozi vesmíru ve velikosti. Unruh sdílel s časopisem Space Magazine prostřednictvím e-mailu:
„Problém je v tom, že jakýkoli naivní výpočet energie vakua dává obrovské hodnoty. Pokud člověk předpokládá, že existuje určitý druh meze, nelze dosáhnout hustoty energie mnohem větší, než je hustota energie Planck (nebo asi 10)95 Jouly / metr3), pak člověk zjistí, že dostane Hubblovu konstantu - časové měřítko, ve kterém se vesmír zhruba zdvojnásobuje - řádově 10-44 sec. Obvyklým přístupem je tedy říci, že to něco nějak snižuje, takže místo toho získá skutečnou míru expanze asi 10 miliard let. Ale to „nějak“ je docela tajemné a nikdo nepřišel s dokonce polovičním přesvědčivým mechanismem. “
Zatímco jiní vědci se snažili modifikovat teorie obecné relativity a kvantové mechaniky, aby tyto rozpory vyřešili, Wang a jeho kolegové hledali jiný přístup. Jak Wang vysvětlil časopisu Space Magazine e-mailem:
"Předchozí studie se buď snaží modifikovat kvantovou mechaniku nějakým způsobem, aby zmenšily vakuovou energii, nebo se snaží nějakým způsobem upravit obecnou relativitu, aby gravitační energie znecitlivěla. Kvantová mechanika a obecná relativita jsou však dvě nejúspěšnější teorie, které vysvětlují, jak náš vesmír funguje ... Místo toho, abychom se snažili modifikovat kvantovou mechaniku nebo obecnou relativitu, věříme, že bychom jim měli nejprve lépe porozumět. Bereme vážně hustotu energie vakua předpovídanou kvantovou mechanikou vážně a necháme je gravitovat podle General Relativity, aniž bychom jeden z nich upravili. “
Pro účely studia provedl Wang a jeho kolegové nové sady výpočtů vakuové energie, které zohlednily jeho předpokládanou vysokou hustotu energie. Poté zvážili možnost, že na nejmenších stupnicích - miliardy krát menších než elektrony - je struktura spacetime vystavena divokým výkyvům, kmitajícím v každém bodě mezi expanzí a kontrakcí.
Jak se houpe sem a tam, je výsledkem těchto oscilací čistý efekt, kdy se vesmír rozpíná pomalu, ale zrychlující rychlostí. Poté, co provedli své výpočty, poznamenali, že takové vysvětlení je v souladu jak s existencí kvantové vakuové energetické hustoty, tak s obecnou relativitou. Kromě toho je to také v souladu s tím, co vědci pozorují v našem vesmíru téměř století. Jak Unruh popsal:
"Naše výpočty ukázaly, že člověk by mohl důsledně brát v úvahu, že vesmír na nejmenších měřítcích se ve skutečnosti rozšiřuje a stahuje nesmyslně rychle; ale to ve velkém měřítku, kvůli průměrování těchto malých měřítek, by si fyzika nevšimla, že „kvantová pěna“. Má nepatrný zbytkový účinek a dává efektivní kosmologickou konstantu (efekt typu temné energie). V některých ohledech je to jako vlny na oceánu, které cestují, jako by oceán byl dokonale hladký, ale opravdu víme, že existuje neuvěřitelný tanec atomů, které tvoří vodu, a vlny průměrné nad těmito výkyvy a jednají, jako by povrch byl hladký. “
Na rozdíl od konfliktních teorií vesmíru, kde různé síly, které jej řídí, nemohou být vyřešeny a musí se navzájem zrušit, Wang a jeho kolegové představují obrázek, kde je vesmír neustále v pohybu. V tomto scénáři se účinky vakuové energie ve skutečnosti samy ruší a také vedou k expanzi a zrychlení, které jsme pozorovali celou tu dobu.
I když to může být příliš brzy na to říct, tento obraz vesmíru, který je vysoce dynamický (i na nejmenších měřítcích), může revoluci v našem chápání časoprostoru. Tato teoretická zjištění přinejmenším stimulují debatu ve vědecké komunitě, jakož i experimenty, jejichž cílem je poskytnout přímé důkazy. A to, jak víme, je jediný způsob, jak můžeme zlepšit naše chápání této věci známé jako vesmír.
