Οι αστρονόμοι σε όλο τον κόσμο είναι σε λίγο τζιζίκι γιατί δεν φαίνεται να συμφωνούν για το πόσο γρήγορα το σύμπαν επεκτείνεται.
Από τότε που το σύμπαν μας προέκυψε από μια έκρηξη μιας μικροσκοπικής στίξης άπειρης πυκνότητας και βαρύτητας, έχει μπαλόνι και όχι με σταθερό ρυθμό, είτε - η επέκταση του σύμπαντος συνεχίζει να γίνεται όλο και πιο γρήγορη.
Αλλά πόσο γρήγορα εξελίσσεται για μια ζωντανή συζήτηση. Οι μετρήσεις αυτού του ποσοστού επέκτασης από κοντινές πηγές φαίνεται να έρχονται σε σύγκρουση με την ίδια μέτρηση που λαμβάνεται από απομακρυσμένες πηγές. Μία πιθανή εξήγηση είναι ότι, ουσιαστικά, κάτι συμβαίνει στο σύμπαν, αλλάζοντας το ρυθμό επέκτασης.
Και ένας θεωρητικός πρότεινε την εμφάνιση ενός ολοκαίνουργιου σωματιδίου που αλλάζει το μέλλον του συνόλου του κόσμου μας.
Hubble, Hubble, κόπο και πρόβλημα
Οι αστρονόμοι έχουν επινοήσει πολλούς έξυπνους τρόπους μέτρησης αυτού που ονομάζουν την παράμετρο Hubble, ή τη σταθερά του Hubble (που αναφέρεται για τους ανθρώπους με πολυάσχολες ζωές ως H0). Αυτός ο αριθμός αντιπροσωπεύει το ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος σήμερα.
Ένας τρόπος για να μετρήσετε το ρυθμό επέκτασης σήμερα είναι να κοιτάξετε τα κοντινά σουπερνόβα, την έκρηξη αερίου και σκόνης που ξεκίνησε από τα μεγαλύτερα αστέρια του σύμπαντος μετά το θάνατό τους. Υπάρχει ένα ιδιαίτερο είδος σουπερνόβα που έχει μια πολύ συγκεκριμένη φωτεινότητα, έτσι μπορούμε να συγκρίνουμε πόσο φωτεινό βλέπουν με το πόσο λαμπερό ξέρουμε ότι πρέπει να είναι και υπολογίζουμε την απόσταση. Στη συνέχεια, εξετάζοντας το φως από τον γαλαξία του υπερκαινοφανιού, οι αστροφυσικοί μπορούν επίσης να υπολογίσουν πόσο γρήγορα απομακρύνονται από εμάς. Τοποθετώντας όλα τα κομμάτια μαζί, μπορούμε στη συνέχεια να υπολογίσουμε το ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος.
Αλλά υπάρχουν περισσότερα για το σύμπαν από τα αστέρια που εκρήγνυνται. Υπάρχει επίσης κάτι που ονομάζεται κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, το οποίο είναι το υπόλοιπο φως λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν μας ήταν ένα απλό μωρό, μόλις 380.000 ετών. Με αποστολές όπως ο δορυφόρος Planck που έχει επιφορτιστεί με τη χαρτογράφηση αυτής της παραμένουσας ακτινοβολίας, οι επιστήμονες έχουν απίστευτα ακριβείς χάρτες αυτού του υπόβαθρου, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποκτήσουν μια πολύ ακριβή εικόνα των περιεχομένων του σύμπαντος. Και από εκεί, μπορούμε να πάρουμε αυτά τα συστατικά και να τρέξουμε το ρολόι μπροστά με μοντέλα υπολογιστών και να είμαστε σε θέση να πούμε ποιο θα είναι το ποσοστό επέκτασης σήμερα - υποθέτοντας ότι τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος δεν έχουν αλλάξει έκτοτε.
Αυτές οι δύο εκτιμήσεις διαφωνούν αρκετά για να κάνουν τους ανθρώπους λίγο να ανησυχούν ότι μας λείπει κάτι.
Κοιτάξτε τη σκοτεινή πλευρά
Ίσως, μία ή και οι δύο μετρήσεις είναι λανθασμένες ή ελλιπείς. πολλοί επιστήμονες και από τις δύο πλευρές της συζήτησης σφραγίζουν την κατάλληλη ποσότητα λάσπης στους αντιπάλους τους. Αλλά αν υποθέσουμε ότι και οι δύο μετρήσεις είναι ακριβείς, τότε χρειαζόμαστε κάτι άλλο για να εξηγήσουμε τις διαφορετικές μετρήσεις. Δεδομένου ότι μία μέτρηση προέρχεται από το πολύ πρώιμο σύμπαν και ένα άλλο προέρχεται από πιο σχετικά πρόσφατο χρόνο, η σκέψη είναι ότι ίσως κάποιο νέο συστατικό στον κόσμο μεταβάλλει τον ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος με έναν τρόπο που δεν έχουμε ήδη συλλάβει μοντέλα.
Και αυτό που κυριαρχεί στην επέκταση του σύμπαντος σήμερα είναι ένα μυστήριο φαινόμενο που ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια. Είναι ένα φοβερό όνομα για κάτι που κατά βάση δεν καταλαβαίνουμε. Το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι ο ρυθμός επέκτασης του σύμπαντος σήμερα επιταχύνεται και ονομάζουμε τη δύναμη που οδηγεί αυτή την επιτάχυνση "σκοτεινή ενέργεια".
Στις συγκρίσεις μας από το νεαρό σύμπαν μέχρι το σημερινό σύμπαν, οι φυσικοί υποθέτουν ότι η σκοτεινή ενέργεια (ό, τι είναι) είναι σταθερή. Αλλά με αυτή την υπόθεση, έχουμε την παρούσα διαφωνία, οπότε ίσως η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει.
Υποθέτω ότι αξίζει έναν πυροβολισμό. Ας υποθέσουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει.
Οι επιστήμονες έχουν μια παραπλανητική υπόνοια ότι η σκοτεινή ενέργεια έχει σχέση με την ενέργεια που είναι κλειδωμένη στο κενό του χωροχρόνου. Αυτή η ενέργεια προέρχεται από όλα τα "κβαντικά πεδία" που διαπερνούν το σύμπαν.
Στη σύγχρονη κβαντική φυσική, κάθε είδος σωματιδίου συνδέεται με το δικό του συγκεκριμένο πεδίο. Αυτά τα πεδία πλένονται όλο το διάστημα και μερικές φορές τα κομμάτια των πεδίων γίνονται πραγματικά ενθουσιασμένοι σε μέρη, γίνονται τα σωματίδια που γνωρίζουμε και αγαπάμε - όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ και τα νετρίνα. Έτσι όλα τα ηλεκτρόνια ανήκουν στο πεδίο των ηλεκτρονίων, όλα τα νετρίνα ανήκουν στο πεδίο του νετρίνο και ούτω καθεξής. Η αλληλεπίδραση αυτών των πεδίων αποτελεί τη θεμελιώδη βάση για την κατανόηση του κβαντικού κόσμου.
Και δεν έχει σημασία πού πηγαίνετε στο σύμπαν, δεν μπορείτε να ξεφύγετε από τα κβαντικά πεδία. Ακόμη και όταν δεν δονίζουν αρκετά σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία για να κάνουν ένα σωματίδιο, είναι ακόμα εκεί, κουνώντας και δονώντας και κάνοντας το κανονικό κβαντικό πράγμα τους. Έτσι, αυτά τα κβαντικά πεδία έχουν μια θεμελιώδη ποσότητα ενέργειας που συνδέεται με αυτά, ακόμα και στο κενό άδειο κενό.
Αν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε την εξωτική κβαντική ενέργεια του κενού του χωροχρόνου για να εξηγήσουμε τη σκοτεινή ενέργεια, αντιμετωπίζουμε άμεσα προβλήματα. Όταν εκτελούμε μερικούς πολύ απλούς, πολύ αφελείς υπολογισμούς για το πόση ενέργεια υπάρχει στο κενό λόγω όλων των κβαντικών πεδίων, καταλήγουμε με έναν αριθμό που είναι περίπου 120 τάξεις μεγέθους ισχυρότερος από ό, τι παρατηρούμε ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι. Περίπου.
Από την άλλη πλευρά, όταν δοκιμάζουμε μερικούς πιο εξελιγμένους υπολογισμούς, καταλήγουμε με έναν αριθμό που είναι μηδέν. Το οποίο διαφωνεί επίσης με τη μετρηθείσα ποσότητα σκοτεινής ενέργειας. Ξέρει πάλι.
Έτσι, ανεξάρτητα από το τι, έχουμε έναν σκληρό χρόνο προσπαθώντας να κατανοήσουμε τη σκοτεινή ενέργεια μέσω της γλώσσας της ενέργειας κενού του χωροχρόνου (η ενέργεια που δημιουργείται από αυτά τα κβαντικά πεδία). Αλλά αν αυτές οι μετρήσεις του ρυθμού διόγκωσης είναι ακριβείς και η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει πραγματικά, τότε αυτό μπορεί να μας δώσει μια ένδειξη για τη φύση αυτών των κβαντικών πεδίων. Συγκεκριμένα, αν αλλάξει η σκοτεινή ενέργεια, αυτό σημαίνει ότι τα ίδια τα κβαντικά πεδία έχουν αλλάξει.
Εμφανίζεται ένας νέος εχθρός
Σε πρόσφατη δημοσίευσή του στο περιοδικό preprint arXiv, ο θεωρητικός φυσικός Massimo Cerdonio στο πανεπιστήμιο της Padova έχει υπολογίσει την ποσότητα των αλλαγών στα κβαντικά πεδία που απαιτούνται για την αντιμετώπιση της αλλαγής της σκοτεινής ενέργειας.
Αν υπάρχει ένα νέο κβαντικό πεδίο που είναι υπεύθυνο για την αλλαγή της σκοτεινής ενέργειας, αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένα καινούργιο σωματίδιο στο σύμπαν.
Και η ποσότητα της αλλαγής της σκοτεινής ενέργειας που υπολογίζει ο Cerdonio απαιτεί ένα συγκεκριμένο είδος σωματιδιακής μάζας, που αποδεικνύεται περίπου η ίδια μάζα ενός νέου είδους σωματιδίου που έχει ήδη προβλεφθεί: το λεγόμενο άξονιο. Οι φυσικοί εφευρέθηκαν αυτό το θεωρητικό σωματίδιο για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων με την κβαντική κατανόηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.
Αυτό το σωματίδιο πιθανότατα εμφανίστηκε στο πολύ πρώιμο σύμπαν, αλλά "παραμονεύει" στο παρασκήνιο ενώ άλλες δυνάμεις και σωματίδια ελεγχόταν την κατεύθυνση του σύμπαντος. Και τώρα είναι η σειρά του axion ...
Παρόλα αυτά, δεν έχουμε εντοπίσει ποτέ ένα αξόνιο, αλλά αν αυτοί οι υπολογισμοί είναι σωστοί, τότε αυτό σημαίνει ότι το άξονιο είναι εκεί έξω, γεμίζοντας το σύμπαν και το κβαντικό του πεδίο. Επίσης, αυτό το υποθετικό αξίωμα καθίσταται ήδη αισθητό με την αλλαγή της ποσότητας της σκοτεινής ενέργειας στον Κόσμο. Έτσι θα μπορούσε να είναι ότι ακόμα κι αν δεν έχουμε δει αυτό το σωματίδιο στο εργαστήριο, αλλάζει ήδη το σύμπαν μας στην πολύ μεγαλύτερη κλίμακα.
