Από τα τέλη της δεκαετίας του 1920, οι αστρονόμοι γνώριζαν το γεγονός ότι το Σύμπαν βρίσκεται σε κατάσταση επέκτασης. Αρχικά προβλεπόμενη από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, αυτή η συνειδητοποίηση συνεχίστηκε για να ενημερώσει το πιο ευρέως αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο - τη θεωρία του Big Bang. Ωστόσο, τα πράγματα έγιναν κάπως συγκεχυμένα κατά τη δεκαετία του 1990, όταν βελτιωμένες παρατηρήσεις έδειξαν ότι ο ρυθμός επέκτασης του Σύμπαντος επιταχύνεται για δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτό οδήγησε στη θεωρία της Σκοτεινής Ενέργειας, μιας μυστηριώδους αόρατης δύναμης που οδηγεί την επέκταση του Κόσμου. Μοιάζει πολύ με το Dark Matter που εξήγησε τη «μάζα που λείπει», τότε έγινε απαραίτητο να βρούμε αυτήν την αόριστη ενέργεια, ή τουλάχιστον να παράσχουμε ένα συνεκτικό θεωρητικό πλαίσιο για αυτήν. Μια νέα μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας (UBC) επιδιώκει να κάνει ακριβώς αυτό με το να υποδηλώνει ότι το Σύμπαν επεκτείνεται λόγω διακυμάνσεων στο χώρο και το χρόνο.
Η μελέτη - η οποία δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Φυσική αναθεώρηση Δ - με επικεφαλής τον Qingdi Wang, φοιτητή διδακτορικού στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο UBC. Υπό την εποπτεία του καθηγητή UBC William Unruh (ο άνθρωπος που πρότεινε το εφέ Unruh) και με τη βοήθεια του Zhen Zhu (άλλου διδακτορικού φοιτητή στο UBC), παρέχουν μια νέα ιδέα για τη σκοτεινή ενέργεια.
Η ομάδα ξεκίνησε αντιμετωπίζοντας τις ασυνέπειες που προκύπτουν από τις δύο κύριες θεωρίες που εξηγούν μαζί όλα τα φυσικά φαινόμενα στο Σύμπαν. Αυτές οι θεωρίες δεν είναι άλλες από τη Γενική Σχετικότητα και την κβαντική μηχανική, οι οποίες εξηγούν αποτελεσματικά πώς συμπεριφέρεται το Σύμπαν στις μεγαλύτερες κλίμακες (δηλαδή αστέρια, γαλαξίες, συστάδες) και τα μικρότερα (υποατομικά σωματίδια).
Δυστυχώς, αυτές οι δύο θεωρίες δεν είναι συνεπείς όσον αφορά ένα μικρό θέμα γνωστό ως βαρύτητα, το οποίο οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να εξηγήσουν από την άποψη της κβαντικής μηχανικής. Η ύπαρξη της Σκοτεινής Ενέργειας και η επέκταση του Σύμπαντος είναι ένα άλλο σημείο διαφωνίας. Για αρχάριους, οι υποψήφιες θεωρίες, όπως η ενέργεια κενού - που είναι μια από τις πιο δημοφιλείς εξηγήσεις για τη Σκοτεινή Ενέργεια - παρουσιάζουν σοβαρές ανακολουθίες.
Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, η ενέργεια κενού θα είχε μια απίστευτα μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα σε αυτήν. Αλλά αν αυτό ισχύει, τότε η Γενική Σχετικότητα προβλέπει ότι αυτή η ενέργεια θα έχει απίστευτα ισχυρή βαρυτική επίδραση, κάτι που θα ήταν αρκετά ισχυρό για να αναγκάσει το Σύμπαν να εκραγεί σε μέγεθος. Όπως μοιράστηκε ο καθηγητής Unruh με το Space Magazine μέσω email:
«Το πρόβλημα είναι ότι οποιοσδήποτε αφελής υπολογισμός της ενέργειας κενού δίνει τεράστιες τιμές. Αν υποθέσουμε ότι υπάρχει κάποιο είδος διακοπής, έτσι δεν μπορεί να πάρει ενεργειακές πυκνότητες πολύ μεγαλύτερες από την ενεργειακή πυκνότητα του Planck (ή περίπου 1095 Joules / meter³) έπειτα κάποιος ανακαλύπτει ότι κάποιος παίρνει μια σταθερά Hubble - τη χρονική κλίμακα στην οποία το Σύμπαν διπλασιάζεται περίπου σε μέγεθος - της τάξης των 10-44 δευτ. Έτσι, η συνήθης προσέγγιση είναι να πούμε ότι κάπως κάτι το μειώνει, έτσι ώστε κάποιος να πάρει τον πραγματικό ρυθμό επέκτασης περίπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια αντ 'αυτού. Αλλά αυτό «κάπως» είναι αρκετά μυστηριώδες και κανείς δεν έχει βρει έναν ακόμη μισό πειστικό μηχανισμό ».
Ενώ άλλοι επιστήμονες προσπάθησαν να τροποποιήσουν τις θεωρίες της Γενικής Σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής για να επιλύσουν αυτές τις ασυνέπειες, ο Wang και οι συνεργάτες του επιδίωξαν μια διαφορετική προσέγγιση. Όπως εξήγησε ο Wang στο Space Magazine μέσω email:
«Προηγούμενες μελέτες είτε προσπαθούν να τροποποιήσουν την κβαντική μηχανική με κάποιο τρόπο για να κάνουν την ενέργεια κενού μικρή είτε προσπαθούν να τροποποιήσουν τη Γενική Σχετικότητα με κάποιο τρόπο για να κάνουν τη βαρύτητα μούδιασμα για την ενέργεια κενού. Ωστόσο, η κβαντική μηχανική και η Γενική Σχετικότητα είναι οι δύο πιο επιτυχημένες θεωρίες που εξηγούν πώς λειτουργεί το Σύμπαν μας… Αντί να προσπαθούμε να τροποποιήσουμε την κβαντική μηχανική ή τη Γενική Σχετικότητα, πιστεύουμε ότι πρέπει πρώτα να τις κατανοήσουμε καλύτερα. Λαμβάνουμε σοβαρά υπόψη τη μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα που προβλέπει η κβαντική μηχανική και απλώς τους αφήνουμε να βαρύνουν σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα χωρίς να τροποποιήσουν κανένα από αυτά. "
Για χάρη της μελέτης τους, ο Wang και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν νέα σύνολα υπολογισμών σχετικά με την ενέργεια κενού που έλαβαν υπόψη την προβλεπόμενη υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Στη συνέχεια, εξέτασαν την πιθανότητα ότι στις μικρότερες κλίμακες - δισεκατομμύρια φορές μικρότερες από τα ηλεκτρόνια - το ύφασμα του χωροχρόνου υπόκειται σε άγριες διακυμάνσεις, που κυμαίνονται σε κάθε σημείο μεταξύ διαστολής και συστολής.
Καθώς περιστρέφεται εμπρός και πίσω, το αποτέλεσμα αυτών των ταλαντώσεων είναι ένα καθαρό αποτέλεσμα όπου το Σύμπαν επεκτείνεται αργά, αλλά με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αφού πραγματοποίησαν τους υπολογισμούς τους, σημείωσαν ότι μια τέτοια εξήγηση ήταν συνεπής τόσο με την ύπαρξη κβαντικής ενεργειακής πυκνότητας όσο και με τη Γενική Σχετικότητα. Επιπλέον, είναι επίσης σύμφωνο με αυτό που παρατηρούν οι επιστήμονες στο Σύμπαν μας για σχεδόν έναν αιώνα. Όπως το περιέγραψε ο Unruh:
«Οι υπολογισμοί μας έδειξαν ότι κάποιος θα μπορούσε να θεωρήσει με συνέπεια [ότι] το Σύμπαν με τις μικρότερες κλίμακες επεκτείνεται και συστέλλεται με παράλογα γρήγορο ρυθμό. αλλά ότι σε μεγάλη κλίμακα, λόγω του μέσου όρου αυτών των μικροσκοπικών κλιμάκων, η φυσική δεν θα προσέξει αυτόν τον «κβαντικό αφρό». Έχει μια μικρή υπολειμματική επίδραση στο να δώσει μια αποτελεσματική κοσμολογική σταθερά (εφέ σκοτεινής ενέργειας). Με κάποιους τρόπους είναι σαν τα κύματα στον ωκεανό που ταξιδεύουν σαν ο ωκεανός να είναι απόλυτα ομαλός, αλλά πραγματικά γνωρίζουμε ότι υπάρχει αυτός ο απίστευτος χορός των ατόμων που απαρτίζουν το νερό και τα κύματα κατά μέσο όρο πάνω από αυτές τις διακυμάνσεις και ενεργούν σαν να η επιφάνεια ήταν λεία. "
Σε αντίθεση με τις συγκρουόμενες θεωρίες ενός Σύμπαντος όπου οι διάφορες δυνάμεις που το διέπουν δεν μπορούν να επιλυθούν και πρέπει να ακυρώσουν ο ένας τον άλλον, ο Wang και οι συνεργάτες του παρουσιάζουν μια εικόνα όπου το Σύμπαν κινείται συνεχώς. Σε αυτό το σενάριο, τα αποτελέσματα της ενέργειας κενού στην πραγματικότητα αυτο-ακυρώνονται και επίσης οδηγούν στην επέκταση και την επιτάχυνση που παρατηρούμε όλο αυτό το διάστημα.
Αν και μπορεί να είναι πολύ νωρίς για να το πούμε, αυτή η εικόνα ενός Σύμπαντος που είναι πολύ δυναμική (ακόμη και στις πιο μικρές κλίμακες) θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόηση του χωροχρόνου. Τουλάχιστον, αυτά τα θεωρητικά ευρήματα είναι βέβαιο ότι ενθαρρύνουν τη συζήτηση εντός της επιστημονικής κοινότητας, καθώς και πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για να προσφέρουν άμεσες αποδείξεις. Και αυτός, όπως γνωρίζουμε, είναι ο μόνος τρόπος για να προωθήσουμε την κατανόησή μας για αυτό το πράγμα που είναι γνωστό ως Σύμπαν.
