Пълният UV-видим IR-композит на XDF; най-великият образ, пуснат някога от далечната Вселена. Всяка галактика, показана тук, в крайна сметка ще се ускори далеч от нас с по-голяма скорост от светлината, благодарение на тъмната енергия. Кредитна картина: НАСА, ЕКА, Х. Теплиц и М. Рафелски (IPAC / Caltech), А. Коекемоер (STScI), Р. Уиндхорст (Аризонския държавен университет) и З. Левай (STScI).

Ново обяснение за тъмната енергия: материята в нашата Вселена

Как гравитационният ефект на Казимир може да предизвика ускореното разширяване на нашата Вселена, без никаква нова физика.

„Защото, въпреки че със сигурност е вярно, че количествените измервания са от голямо значение, е сериозна грешка да се предположи, че цялата тази експериментална физика може да бъде поставена под това заглавие.“ -Хендрик Казимир

Тъй като разширяването на Вселената бе намерено за първи път да се ускори преди близо 20 години, учените копнеят за едно убедително, просто и изпитателно обяснение. И все пак с навлизането на все повече данни от експерименти и наблюдения, причината за тази тъмна енергия - хипотезираната причина за ускорението - беше безумно неуловима. Въпреки че той е функционално еквивалентен на „космологичната константа“ (или „енергията, присъща на самото пространство“), няма добър начин да се направи прогноза за нейната стойност. Но ако смятате, че поставянето на определени форми на материя в празно пространство променя силите върху тази материя, може би тъмната енергия възниква от най-простата причина за всички: факта, че нашата Вселена изобщо съдържа материя.

Карта на модела на струпване / струпване, който днес представят галактиките в нашата Вселена. Наличието на тези структури може да обясни присъствието и големината на тъмната енергия в нейната цялост. Кредит за изображение: Грег Бейкън / STScI / NASA Goddard Център за космически полети.

Повечето от силите и явленията във Вселената имат причини, които могат лесно да бъдат разкрити. Два масивни обекта изпитват гравитационна сила поради факта, че пространственото време е извито от присъствието на материя и енергия. Вселената се е разширила, както и през историята си, поради променящата се енергийна плътност на Вселената и първоначалните условия на разширяване. И всички частици във Вселената изпитват взаимодействията, които правят поради познатите правила на квантовата теория на полето и обмяната на векторни бозони. От най-малките, субатомни частици до най-големите скали от всички, играят едни и същи сили, които държат всичко - от протони до хора до планети до галактики.

Силната сила, действаща така, както съществува поради наличието на

Дори някои от по-загадъчните явления имат основни обяснения, които са добре разбрани. Ние не знаем как трябва да има повече материя от антиматерия във Вселената, но знаем, че условията, от които се нуждаем за това - нарушаване на броя на барион, извън условията на равновесие и нарушение на С и СР - съществуват. Не знаем каква е природата на тъмната материя, но нейните родови свойства, къде се намира и как се сплотяват заедно, са добре разбрани. И ние не знаем дали черните дупки запазват информация или не, но ние разбираме окончателните и първоначалните състояния на тези обекти, както и как те се появяват и какво се случва с хоризонтите им за събития във времето.

Илюстрация на черна дупка и заобикалящия я, ускоряващ и падащ диск за натрупване. Първоначалните и крайните състояния на черните дупки могат да бъдат добре предвидени, дори ако загубата или задържането на информация понастоящем не може. Кредит за изображение: НАСА.

Но има едно нещо, което изобщо не разбираме: тъмна енергия. Със сигурност можем да измерим ускорението на Вселената и да определим точно каква е нейната величина. Но защо изобщо имаме Вселена с ненулева стойност на тъмната енергия? Защо празното пространство, лишено от всичко - без значение, без кривина, без радиация, без нищо - има положителна, ненулева енергия? Защо трябва да накара самата Вселена да се разширява с винаги положителен, никога не достигащ до нула темп? И защо това количество енергия, което е било толкова невероятно мъничко, че беше напълно незабележимо през първите няколко милиарда години от историята на Вселената и дойде да доминира над Вселената около времето, когато Земята се е образувала?

Илюстрация на протопланетен диск, при който планетите и планетесималите се образуват първо, създавайки „пропуски“ в диска, когато се правят. Преди около четири до пет милиарда години, когато нашата Слънчева система се формира, тъмната енергия едновременно идваше да доминира скоростта на разширяване и енергийната плътност на Вселената. Кредит за изображение: NAOJ.

Има много неща, които можем да отбележим за тъмната енергия и Вселената, които са интересни и подсказват за връзка. Има много празно пространство и знаем, че навсякъде в него има квантови полета. Няма региони на Вселената, до които гравитационните, електромагнитните или ядрените сили да не могат да достигнат; те са абсолютно навсякъде. Ако се опитаме да изчислим това, което наричаме стойност на вакуумното очакване (VEV) на различните квантови полета там, първо, ние можем да го направим само приблизително, защото има безкраен брой термини, които можем да запишем, които отиват в произволно висок ред , Ако прекъснем поредицата във всеки момент, можем да добавим какви са приблизителните приноси и завършваме много разочаровани.

Няколко термина, допринасящи за енергията от нулева точка в квантовата електродинамика. Кредитна снимка: RL Jaffe, от https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Ако правим тази математика, ние завършваме с вноски, които са приблизително 120 порядъка твърде големи, както положителни, така и отрицателни. Доколкото можем да кажем, те не отменят точно и дори да го направиха, все още имаме онзи досаден проблем с наблюдението, че Вселената не се припомня, забавя или асимптотира до нулева скорост; наистина, наистина ускорява. По някакъв начин има малка, но ненулева енергия, присъща на самото пространство. И тази енергия кара далечните галактики във Вселената да се ускоряват в рецесията си от нас, макар и много бавно, с течение на времето.

Четирите възможни съдби на нашата Вселена в бъдещето; последният изглежда Вселената, в която живеем, доминирана от тъмната енергия. Кредит за изображение: E. Siegel / Отвъд галактиката.

Може би най-големият теоретичен въпрос от всички е защо? Защо Вселената се ускорява? Ние буквално нямаме добро обяснение за причината за тази тъмна енергия. Наскоро разгледахме възможността това да е замразено неутрино или може да е симптом, че имаме нещо нередно с разширяващата се Вселена. Но има и друга възможност, която получава много малко внимание, която би трябвало да получи много повече: това може да бъде свойство на празното пространство, което е причинено от наличието на други неща - като материя, която действа като ефективна граница - във Вселената.

И причината това е възможно е, защото това е ефект, който знаем, че съществува: ефектът Казимир.

Илюстрация на ефекта на Казимир и как силите (и разрешените / забранени състояния на електромагнитното поле) от външната страна на плочите се различават от силите от вътрешната страна. Кредитно изображение: Emok / Wikimedia Commons.

Каква е електромагнитната сила на празното пространство? Разбира се, не е нищо. Без никакви заряди, без токове и без значение да влияе, тя наистина е нула; това не е трик. Но ако поставите две метални плочи на крайно разстояние и след това попитате каква е електромагнитната сила, ще разберете, че тя не е нула! Поради факта, че някои от режимите на флуктуация на вакуума са забранени поради границите на плочите, ние не само предвиждаме, но измерваме ненулева сила между тези плочи, произтичаща от нищо друго освен самото празно пространство. Както се оказва, всички сили, включително гравитационната сила, проявяват и ефект на Казимир.

Карта на повече от една милионна галактика във Вселената, където всяка точка е своя собствена галактика. Различните цветове представляват разстояния, като по-червените представляват по-далеч. Кредитна снимка: Даниел Айзенщайн и сътрудничеството SDSS-III.

И така, какво се случва, ако приложим този ефект към цялата Вселена и се опитаме да изчислим какъв трябва да е ефектът? Отговорът е прост: получаваме нещо, което има форма, съответстваща на тъмната енергия, въпреки че - за пореден път - величината е грешна. Това е възможно, обаче, функция на факта, че ние не знаем как изглеждат граничните условия на Вселената или как да изчислим този квантов гравитационен ефект много добре. Но това е невероятна, добре проучена възможност, която има много интересни разработки през последното десетилетие.

3D реконструкцията на 120 000 галактики и техните групиращи свойства, се основава на червеното им изместване и мащабната структура на структурата. Кредит за изображения: Джеръми Тинкър и сътрудничеството SDSS-III.

Картирането на Вселената може да се окаже лесната част. Може би това няма да бъде наблюдателен или експериментален пробив, който ще ни доведе до разбиране на тъмната енергия, най-неуловимата сила във Вселената. Може би това е теоретично, което е необходимо. И може би е свързана с аномалията на следите, може би с нейното динамично количество, което се променя с течение на времето, а може би дори е признак за допълнителни измерения. Вселената е там, а ние едва наскоро разкрихме тази най-трудна за обяснение тайна. Може би решението, ако внимаваме, може да се крие във физиката, която вече познаваме.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.