Sedan slutet av 1920-talet har astronomer varit medvetna om att universum är i ett expansionsläge. Ursprungligen förutsagt av Einsteins teori om allmän relativitet, har detta förståelse gått vidare för att informera den mest accepterade kosmologiska modellen - Big Bang Theory. Men saker blev lite förvirrande under 1990-talet, då förbättrade observationer visade att universumets expansionshastighet har accelererat i miljarder år.
Detta ledde till teorin om Dark Energy, en mystisk osynlig kraft som driver expansionen av kosmos. Liksom Dark Matter som förklarade den "saknade massan", blev det då nödvändigt att hitta denna svårfångande energi, eller åtminstone ge en sammanhängande teoretisk ram för den. En ny studie från University of British Columbia (UBC) försöker göra just det genom att postulera universumet expanderar på grund av fluktuationer i rum och tid.
Studien - som nyligen publicerades i tidskriften Fysisk granskning D - leddes av Qingdi Wang, en doktorand vid Institutionen för fysik och astronomi vid UBC. Under ledning av UBC-professor William Unruh (mannen som föreslog Unruh-effekten) och med hjälp av Zhen Zhu (en annan doktorand vid UBC) ger de ett nytt tag på Dark Energy.
Teamet började med att ta itu med inkonsekvenserna till följd av de två huvudteorierna som tillsammans förklarar alla naturfenomen i universum. Dessa teorier är ingen annan än General Relativity och kvantmekanik, som effektivt förklarar hur universum beter sig på de största skalorna (dvs stjärnor, galaxer, kluster) och de minsta (subatomära partiklar).
Tyvärr är dessa två teorier inte konsekventa när det gäller en liten fråga som kallas gravitation, vilket forskare fortfarande inte kan förklara när det gäller kvantmekanik. Mörk Energins existens och universums expansion är en annan oenighet. Till att börja med är kandidatteorier som vakuumenergi - som är en av de mest populära förklaringarna för Dark Energy - allvarliga incongruities.
Enligt kvantmekanik skulle vakuumenergi ha en otroligt stor energitäthet för den. Men om detta är sant, förutspår General Relativity att denna energi skulle ha en otroligt stark gravitationseffekt, en som skulle vara tillräckligt kraftfull för att få universum att explodera i storlek. Som prof. Unruh delade med Space Magazine via e-post:
”Problemet är att varje naiv beräkning av vakuumenergin ger enorma värden. Om man antar att det finns någon form av avstängning så kan man inte få energitäthet som är mycket större än Planck-energitätheten (eller cirka 1095 Joules / meter³) då finner man att man får en Hubble-konstant - den tidsskala som universum grovt fördubblar i storlek - i storleksordningen 10-44 sek. Så, den vanliga metoden är att säga att något på något sätt minskar det så att man får den faktiska expansionsgraden på cirka 10 miljarder år istället. Men det "på något sätt" är ganska mystiskt och ingen har kommit med en jämn halvt övertygande mekanism. ”
Medan andra forskare har försökt att ändra teorierna om allmän relativitet och kvantmekanik för att lösa dessa inkonsekvenser, sökte Wang och hans kollegor en annan strategi. Som Wang förklarade till Space Magazine via e-post:
”Tidigare studier försöker antingen modifiera kvantmekanik på något sätt för att göra vakuumenergi liten eller försöker modifiera General Relativity på något sätt för att göra tyngdkraften bedömd för vakuumenergi. Kvantmekanik och allmän relativitet är dock de två mest framgångsrika teorierna som förklarar hur vårt universum fungerar ... Istället för att försöka modifiera kvantmekanik eller allmän relativitet, tror vi att vi först bör förstå dem bättre. Vi tar den stora vakuumenergitätheten som kvantmekaniken förutsäger på allvar och låt dem bara tvingas enligt General Relativity utan att ändra någon av dem. ”
För sin studie utförde Wang och hans kollegor nya uppsättningar av beräkningar på vakuumenergi som tog hänsyn till dess förutsagda höga energitäthet. De övervägde då möjligheten att på de minsta skalorna - miljarder gånger mindre än elektroner - är tyget i rymdtiden utsatt för vilda fluktuationer och svänger vid varje punkt mellan expansion och sammandragning.
När det svänger fram och tillbaka är resultatet av dessa svängningar en nettoeffekt där universum expanderar långsamt, men med en accelererande hastighet. Efter att ha gjort sina beräkningar noterade de att en sådan förklaring var förenlig med både förekomsten av kvantvakuumenergitäthet och allmän relativitet. Dessutom överensstämmer det också med vad forskare har observerat i vårt universum i nästan ett sekel. Som Unruh beskrev det:
”Våra beräkningar visade att man konsekvent kunde betrakta [att] universum på de minsta skalorna faktiskt expanderar och kontraherar i en absurd snabb takt; men att i stor skala, på grund av ett medelvärde över de små skalorna, kunde fysiken inte märka det "kvantskummet". Det har en liten kvarvarande effekt att ge en effektiv kosmologisk konstant (effekt av mörk energityp). På vissa sätt är det som vågor på havet som rör sig som om havet var helt slätt men vi vet verkligen att det är denna otroliga dans av atomer som utgör vattnet, och vågorna genomsnitt över dessa fluktuationer, och fungerar som om ytan var slät. ”
Till skillnad från motstridiga teorier om ett universum där de olika krafterna som styr det inte kan lösas och måste avbryta varandra, presenterar Wang och hans kollegor en bild där universum ständigt är i rörelse. I det här scenariot är verkningarna av vakuumenergi faktiskt självreglerande och ger också upphov till den expansion och acceleration vi har observerat hela denna tid.
Även om det kan vara för tidigt att berätta, kan denna bild av ett universum som är mycket dynamisk (även på de minsta skalorna) revolutionera vår förståelse för rymdtiden. Åtminstone är dessa teoretiska resultat säkra att stimulera debatt inom det vetenskapliga samhället, liksom experiment som är utformade för att ge direkt bevis. Och det är, som vi vet, det enda sättet vi kan främja vår förståelse av denna sak som kallas universum.
