Az 1920-as évek vége óta a csillagászok tudatában vannak annak a ténynek, hogy az Univerzum terjeszkedési állapotban van. Az eredetileg Einstein általános relativitáselmélete előrejötte szerint ezt a felismerést a legszélesebb körben elfogadott kozmológiai modell - a Nagyrobbanáselmélet - ismeretében folytatta. A 1990-es években azonban a dolgok kissé zavarosak lettek, amikor a jobb megfigyelések azt mutatták, hogy az Univerzum terjeszkedési üteme milliárd éven keresztül felgyorsult.
Ez a Sötét Energia elméletéhez vezetett, egy titokzatos láthatatlan erőnek, amely a kozmosz terjeszkedését vezérli. Ugyanúgy, mint a Sötét Anyagban, amely magyarázta a „hiányzó tömeget”, akkor ezt a megfoghatatlan energiát meg kellett találni, vagy legalább ehhez koherens elméleti keretet kellett biztosítani. A British Columbia Egyetemen (UBC) készített új tanulmány éppen arra törekszik, hogy az Univerzum posztulációjával térbeli és időbeli ingadozások miatt bővüljön.
A tanulmány - amelyet nemrégiben tettek közzé a folyóiratban Fizikai áttekintés D - vezette Qingdi Wang, az UBC Fizikai és Csillagászati Tanszékének doktori hallgatója. William Unruh, az UBC professzor (az Unruh Effect javaslatát javasló ember) felügyelete alatt, valamint Zhen Zhu (az UBC másik doktorandusz hallgatója) támogatásával új felvételi lehetőséget biztosítanak a Sötét Energiára.
A csapat azzal kezdte, hogy foglalkozik az ellentmondásokkal, amelyek a két fő elméletből fakadnak, amelyek együttesen magyarázzák az univerzum összes természeti jelenségét. Ezek az elméletek nem más, mint az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika, amelyek hatékonyan megmagyarázzák, hogyan viselkedik az univerzum a legnagyobb skálán (azaz csillagok, galaxisok, klaszterek) és a legkisebbön (szubatomi részecskék).
Sajnos ez a két elmélet nem következetes a gravitációnak nevezett kis anyaggal kapcsolatban, amelyet a tudósok még mindig nem tudnak magyarázni a kvantummechanika szempontjából. A sötét energia létezése és az univerzum kibővítése szintén egyet nem értés. A kezdők számára a jelöltek elméletei, mint például a vákuumenergia - amely a Sötét Energia egyik legnépszerűbb magyarázata - komoly eltéréseket mutatnak.
A kvantummechanika szerint a vákuum-energia hihetetlenül nagy energiasűrűséggel bírna. De ha ez igaz, akkor az általános relativitáselmélet azt jósolja, hogy ennek az energiának hihetetlenül erős gravitációs hatása lenne, amely elég erős lenne ahhoz, hogy az univerzum mérete felrobbanjon. Amint Unruh professzor e-mailben megosztotta a Space Magazine-val:
„A probléma az, hogy a vákuumenergia naiv kiszámítása hatalmas értékeket ad. Ha feltételezzük, hogy van valamiféle levágás, akkor nem kaphatjuk meg a Planck energiasűrűségénél jóval nagyobb energiasűrűséget (vagy kb. 1095 Jugul / méter³), akkor azt találja, hogy az egyik 10-es nagyságrendű Hubble-állandót kap - az az idő skála, amelyen az Univerzum nagyjából megduplázódik.-44 mp. Tehát a szokásos megközelítés azt jelenti, hogy valami csökkenti ezt oly módon, hogy az valóban körülbelül 10 milliárd éves növekedési rátát kapjon. De ez a "valahogy" nagyon titokzatos, és senki sem jött fel egy félig meggyőző mechanizmussal. "
Míg más tudósok igyekeztek módosítani az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika elméleteit ezen következetlenségek megoldása érdekében, Wang és kollégái más megközelítést kerestek. Amint Wang e-mailben elmagyarázta a Space Magazine-nak:
„A korábbi tanulmányok vagy a kvantummechanikát valamilyen módon próbálják módosítani oly módon, hogy az csökkentse a vákuumenergiát, vagy valamilyen módon megpróbálják módosítani az általános relativitást, hogy a gravitáció elgyengüljön a vákuumenergia számára. Ugyanakkor a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet a két legsikeresebb elmélet, amely magyarázza az univerzumunk működését ... A kvantummechanika vagy az általános relativitásmódosítás módosítása helyett inkább azt gondoljuk, hogy először jobban meg kell értenünk őket. Komolyan vesszük a kvantummechanika által megjósolt nagy vákuum-energia sűrűséget, és hagyjuk, hogy az általános relativitáselmélet szerint gravitálódjanak, anélkül, hogy egyiket módosítanánk. ”
Tanulmányaik érdekében Wang és kollégái új számítási sorozatot készítettek a vákuumenergiára, amely figyelembe vette a várható magas energia sűrűségét. Ezután fontolóra vették annak lehetőségét, hogy a legkisebb - az elektronok milliárdszor kisebb - méretű skálán az űrtartalom vad fluktuációknak van kitéve, minden helyzetben ingadozva a tágulás és az összehúzódás között.
Előre-vissza ingadozva, ezeknek az oszcillációknak az eredménye egy nettó hatás, ahol az Univerzum lassan, de gyorsuló ütemben terjed ki. A számítások elvégzése után megfigyelték, hogy egy ilyen magyarázat összhangban van mind a kvantum vákuum energia sűrűségének létezésével, mind az általános relativitáselmélettel. Ráadásul ez összhangban áll azzal is, amit a tudósok majdnem egy évszázadon keresztül megfigyeltek az univerzumunkban. Ahogy Unruh leírta:
Számításaink azt mutatták, hogy következetesen figyelembe lehet venni, hogy a legkisebb léptékű világegyetem valóban abszurd módon gyors ütemben bővül és csökken; de ez a kis lépték átlagolása miatt a fizika nem veszi észre ezt a „kvantumhabot”. Kicsi maradékhatással rendelkezik, mivel hatékony kozmológiai állandót (sötét energia típusú hatást) ad. Bizonyos értelemben ez olyan, mintha az óceán hullámai mozognának, mintha az óceán tökéletesen sima lenne, de valóban tudjuk, hogy van ez a hihetetlen tánc az atomokból, amelyek a vizet alkotják, és ezen hullámoknál átlagban hullámoznak, és úgy viselkednek, mintha a a felület sima volt. ”
Az univerzum egymással ellentmondó elméleteivel szemben, ahol a különböző irányító erők nem oldhatók meg, és meg kell szüntetniük egymást, Wang és munkatársai olyan képet mutatnak, amelyben az Univerzum folyamatosan mozgásban van. Ebben a forgatókönyvben a vákuumenergia hatása valójában önmegszakító, és növekedéshez és gyorsuláshoz vezet, amelyet egész idő alatt megfigyeltünk.
Noha túl késő lenne megmondani, ez a nagyon dinamikus univerzum képe (még a legkisebb léptékben is) forradalmasíthatja a téridő megértését. Ezek az elméleti eredmények legalábbis biztosan ösztönzik a tudományos közösségen belüli vitát, valamint a közvetlen bizonyítékot nyújtó kísérleteket. És ez, amint tudjuk, az egyetlen módja annak, hogy elősegítsük a Világegyetemként ismert dolog megértését.
