1920-luvun lopulta lähtien tähtitieteilijät ovat olleet tietoisia siitä, että maailmankaikkeus on laajenemassa. Aluksi ennusti Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, tämä oivallus on antanut tietoa laajimmin hyväksytylle kosmologiselle mallille - the Big Bang teoria . Asiat kuitenkin hämmensivät 1990-luvulla, kun paremmat havainnot osoittivat, että maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on kiihtynyt miljardeja vuosia.
Tämä johti teoriaan Pimeä Energia , salaperäinen näkymätön voima, joka ajaa kosmoksen laajenemista. Aivan kuten Dark Matter, joka selitti 'puuttuvan massan', tuli sitten välttämättömäksi löytää tämä vaikeasti vaikea energia tai ainakin tarjota sille yhtenäinen teoreettinen kehys. A uusi tutkimus University of British Columbia (UBC) pyrkii tekemään juuri sen olettamalla, että maailmankaikkeus laajenee tilan ja ajan vaihtelujen vuoksi.
Tutkimus - joka julkaistiin äskettäin lehdessä Fyysinen arvostelu D – johti Qingdi Wang, tohtoriopiskelija UBC:n fysiikan ja tähtitieteen laitokselta. UBC-professori William Unruhin valvonnassa (mies, joka ehdotti Unruh Effect ) ja Zhen Zhun (toinen UBC:n tohtoriopiskelija) avustuksella he tarjoavat uuden näkemyksen Dark Energystä.
Kaavio, joka esittää Lambda-CBR-universumia alkuräjähdyksestä nykyiseen aikakauteen. Luotto: Alex Mittelmann/Coldcreation
Ryhmä aloitti käsittelemällä epäjohdonmukaisuuksia, jotka johtuvat kahdesta pääteoriasta, jotka yhdessä selittävät kaikki maailmankaikkeuden luonnonilmiöt. Nämä teoriat eivät ole muita kuin yleistä suhteellisuusteoriaa ja kvanttimekaniikkaa, jotka selittävät tehokkaasti, kuinka maailmankaikkeus käyttäytyy suurimmalla mittakaavalla (eli tähdet, galaksit, klusterit) ja pienimmällä (subatomiset hiukkaset).
Valitettavasti nämä kaksi teoriaa eivät ole johdonmukaisia, kun on kyse pienestä aineesta, joka tunnetaan nimellä painovoima, jota tiedemiehet eivät vieläkään pysty selittämään kvanttimekaniikan avulla. Pimeän energian olemassaolo ja universumin laajeneminen ovat toinen erimielisyyskohta. Ensinnäkin ehdokasteoriat, kuten tyhjiöenergia – joka on yksi suosituimmista Dark Energyn selityksistä – sisältävät vakavia ristiriitoja.
Kvanttimekaniikan mukaan tyhjiöenergialla olisi uskomattoman suuri energiatiheys. Mutta jos tämä on totta, yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että tällä energialla olisi uskomattoman voimakas gravitaatiovaikutus, joka olisi tarpeeksi voimakas saamaan maailmankaikkeuden räjähtämään kooltaan. Kuten prof. Unruh jakoi Universe Todaylle sähköpostitse:
”Ongelma on, että mikä tahansa naiivi tyhjiöenergian laskelma antaa valtavia arvoja. Jos oletetaan, että on olemassa jonkinlainen raja, niin energiatiheyksiä ei voi saada paljon suurempia kuin Planckin energiatiheys (tai noin 1095Joulea/metri³) niin saadaan Hubble-vakio – aika-asteikko, jolla maailmankaikkeuden koko karkeasti kaksinkertaistuu – luokkaa 10-44sek. Joten tavallinen lähestymistapa on sanoa, että jotenkin jokin vähentää sitä niin, että sen sijaan saadaan todellinen laajenemisnopeus noin 10 miljardia vuotta. Mutta se 'joskin' on melko mystistä, eikä kukaan ole keksinyt puoliksi vakuuttavaa mekanismia.'
Alkuräjähdyksen ja maailmankaikkeuden laajenemisen aikajana. Kiitos: NASA
Kun muut tiedemiehet ovat pyrkineet muuttamaan yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan teorioita ratkaistakseen nämä epäjohdonmukaisuudet, Wang ja hänen kollegansa etsivät erilaista lähestymistapaa. Kuten Wang selitti Universe Todaylle sähköpostitse:
'Aiemmat tutkimukset ovat joko yrittäneet muuttaa kvanttimekaniikkaa jollain tavalla tehdäkseen tyhjiöenergiasta pieneksi tai yrittää muuttaa yleistä suhteellisuusteoriaa jollakin tavalla tehdäkseen painovoiman tunnottomalle tyhjiöenergialle. Kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria ovat kuitenkin kaksi menestyneintä teoriaa, jotka selittävät universumimme toiminnan… Sen sijaan, että yrittäisimme muokata kvanttimekaniikkaa tai yleistä suhteellisuusteoriaa, uskomme, että meidän pitäisi ensin ymmärtää niitä paremmin. Otamme kvanttimekaniikan ennustaman suuren tyhjiöenergiatiheyden vakavasti ja annamme niiden vain gravitoida yleisen suhteellisuusteorian mukaan muuttamatta kumpaakaan.'
Tutkimuksensa vuoksi Wang ja hänen kollegansa suorittivat uusia tyhjiöenergian laskelmia, joissa otettiin huomioon sen ennustettu korkea energiatiheys. Sitten he harkitsivat mahdollisuutta, että pienimmässä mittakaavassa – miljardeja kertoja pienempiä kuin elektroneja – aika-avaruuden kudos on alttiina villeille vaihteluille, jotka värähtelevät jokaisessa laajenemisen ja supistumisen välisessä pisteessä.
Voivatko vaihtelut aika-avaruuden pienimmillä tasoilla selittää Pimeän Energian ja kosmoksen laajenemisen? Luotto: Washingtonin yliopisto
Kun se heiluu edestakaisin, näiden värähtelyjen seurauksena on nettovaikutus, jossa maailmankaikkeus laajenee hitaasti, mutta kiihtyvällä nopeudella. Suoritettuaan laskelmansa he huomasivat, että tällainen selitys oli yhdenmukainen sekä kvanttityhjiöenergiatiheyden että yleisen suhteellisuusteorian olemassaolon kanssa. Sen lisäksi se on myös yhdenmukainen sen kanssa, mitä tiedemiehet ovat havainneet universumissamme lähes vuosisadan ajan. Kuten Unruh kuvaili sitä:
'Laskelmamme osoittivat, että voidaan johdonmukaisesti ajatella [että] maailmankaikkeus pienimmässä mittakaavassa itse asiassa laajenee ja supistuu järjettömän nopeasti; mutta suuressa mittakaavassa, noiden pienten asteikkojen keskiarvon vuoksi, fysiikka ei huomaisi tuota 'kvanttivaahtoa'. Sillä on pieni jäännösvaikutus, joka antaa tehokkaan kosmologisen vakion (pimeän energian tyyppinen vaikutus). Jollain tapaa se on kuin valtameren aallot, jotka kulkevat ikään kuin valtameri olisi täysin sileä, mutta todellisuudessa tiedämme, että veden muodostavien atomien uskomaton tanssi on ja aallot ovat keskimääräisiä noiden vaihteluiden yli ja toimivat ikään kuin pinta oli sileä.'
Toisin kuin ristiriitaiset teoriat maailmankaikkeudesta, jossa sitä hallitsevia eri voimia ei voida ratkaista ja niiden on kumottava toisensa, Wang ja hänen kollegansa esittävät kuvan, jossa universumi on jatkuvasti liikkeessä. Tässä skenaariossa tyhjiöenergian vaikutukset ovat itse asiassa itsestään kumoutuvat ja aiheuttavat myös laajenemista ja kiihtyvyyttä, jota olemme havainneet koko tämän ajan.
Vaikka saattaa olla liian aikaista sanoa, tämä kuva universumista, joka on erittäin dynaaminen (jopa pienimmässä mittakaavassa), voi mullistaa käsityksemme aika-avaruudesta. Ainakin nämä teoreettiset havainnot herättävät varmasti keskustelua tiedeyhteisössä sekä kokeita, jotka on suunniteltu tarjoamaan suoria todisteita. Ja kuten tiedämme, se on ainoa tapa, jolla voimme edistää ymmärrystämme tästä universumina tunnetusta asiasta.
Lisälukemista: UBC-uutiset , Fyysinen arvostelu D