När det blev klart för 20 år sedan att universumets expansion växte fram presenterade forskare en komplett, enkel och testbar förklaring. Men när fler och mer experimentella och observativa data kom in förblev orsaken till mörk energi - antagligen orsaken till denna acceleration - svårfångade. Även om det tekniskt motsvarar en "kosmologisk konstant" (eller energi som är inneboende i rymden i sig), finns det inget sätt att dra slutsatsen om dess värde. Men om vi kommer ihåg att att placera vissa former av materia i tomt utrymme förändrar krafterna som verkar i denna fråga, uppstår kanske mörk energi enligt en mycket enkel princip: eftersom i vårt universum finns materia som sådan.
Clustering karta över galaxer i vårt universum. Närvaron av dessa strukturer kan förklara närvaron och kraften hos mörk energi i sin helhet.
De flesta krafter och fenomen har ursprung som är lätt att upptäcka. Två massiva föremål upplever tyngdekraften på grund av att rymdtiden är vriden på grund av närvaron av materia och energi. Universum har expanderat eftersom det har sin egen historia av förändringar i energitätheten i universum och de initiala förutsättningarna för expansion. Och alla partiklar i universum interagerar på ett visst sätt på grund av de välkända reglerna för kvantfältteorin och utbytet av vektorbosoner. Från de minsta subatomära partiklarna till de största vågarna arbetar samma krafter för att driva bosoner och galaxer.
Den starka växelverkan som uppstår på grund av förekomsten av "färgförändring" och utbyte av gluoner håller atomkärnorna samman
Till och med de mest mystiska fenomen i deras kärna innehåller förklaringar som är väl förståda. Vi vet inte varför det finns mer materia än antimateria i universum, men vi vet att de villkor vi behöver för detta - brytning av baryonumret, C- och CP-överträdelse - äger rum. Vi vet inte vad arten av mörk materia är, men dess allmänna egenskaper, var den är belägen och hur den kluster, är alla väl förståda. Vi vet inte heller om svarta hål bevarar information eller inte, men vi förstår det slutliga och initiala tillståndet för dessa objekt, liksom hur de är födda och vad som händer med deras händelsevisontor över tid.
En illustration av ett svart hål och dess miljö, en accelererande och uppblåsande ackretionsskiva. De ursprungliga och slutliga tillstånden på svarta hål kan förutsägas även om förlust eller lagring av information inte är det
Men det är en sak som vi inte förstår alls: mörk energi. Naturligtvis kan vi mäta universums acceleration och förstå dets exakthet. Men varför har vi till och med ett universum med mörk energi utan noll? Varför har tomt utrymme, där det inte finns något - oavsett, ingen krökning, ingen strålning, ingenting - positiv icke-noll energi? Och varför började denna mängd energi, som var otänkbart liten och helt osynlig under de första miljarder åren av universums historia, fånga universumet just när jorden dök upp i det?
En illustration av en protoplanetär disk där planeter och planetesimaler bildar och skapar luckor på disken. För fyra till fem miljarder år sedan, när vårt solsystem bildades, började mörk energi samtidigt fånga universums expansion och energitäthet
Kampanjvideo:
Det finns många intressanta saker vi kan förknippas med mörk energi och universum som helhet. Det finns mycket tomt utrymme som kvantfält genomsyrar. Det finns inga regioner i universum där gravitationella, elektromagnetiska eller kärnkrafter tränger igenom; de är överallt. Om vi försöker beräkna det så kallade vakuumförväntade värdet (kondensat) för olika kvantfält, kommer vi att möta ett oändligt antal termer och kan bara skriva det ungefär. Vi kommer alltid att hantera ungefärliga värden. Och så vitt vi vet är de inte balanserade, och universum bromsar inte ner - det accelererar faktiskt. På något sätt har rymden i sig lite energi utan noll. Och denna energi gör att avlägsna galaxer i universum flyttas bort från oss med en allt högre hastighet,men långsamt, men ständigt.
Frågan "varför?" upphör aldrig att plåga teoretiker. Varför expanderar universumet snabbare och snabbare? Vi kan inte förklara närvaron av denna mörka energi i någonting. Kanske har vi liten förståelse för själva universum. Det finns emellertid ett annat alternativ, som sällan övervägs: kanske denna egenskap av tomt utrymme bestäms av närvaron av andra saker - som materia - i universum.
Och det finns en anledning att tro att detta är möjligt, som kallas Casimir-effekten. Vi känner honom väl.
Illustration av Casimir-effekten och hur krafterna utanför plattorna skiljer sig från krafterna emellan
Vad är den elektromagnetiska kraften i tomt utrymme? Noll, naturligtvis. I avsaknad av laddningar, strömmar och materia för interaktion, kommer det att vara noll, ingen skoj. Men om du placerar två metallplattor på ett visst avstånd mellan dem och sedan frågar igen vad den elektromagnetiska kraften kommer att bli, kommer den att upphöra att vara noll. På grund av det faktum att vissa sätt för kvantfluktuationer är förbjudna på grund av plattans gränser, förutspår vi inte bara, utan mäter också kraften utan noll mellan dessa plattor, som bokstavligen uppstår från tomt utrymme. Och det som är mest intressant, alla krafter, inklusive gravitationskrafter, uppvisar Casimir-effekten.
Karta över över en miljon galaxer i universum; det finns en separat galax vid varje punkt. Olika färger representerar avstånd; röd - vidare
Vad händer när vi försöker tillämpa denna effekt på hela universum och beräkna effekten? Svaret är enkelt: vi får något som motsvarar i någon form med mörk energi, bara - igen - av en annan ordning. Och det kan bero på att vi inte helt vet vad universums gränsvillkor är eller hur man beräknar kvantgravitationseffekten korrekt.
Kartläggning av universum kan vara den enklaste delen. Det är osannolikt att vi kommer att vänta på ett observerat eller experimentellt genombrott som leder oss till en förståelse av mörk energi, den mest svårfångade kraften i universum. Vi kan behöva ett teoretiskt genombrott. Och eventuellt kommer det att förknippas med en spåranomali, en förändring i dynamisk storlek eller till och med ett spår av ytterligare dimensioner. Vi har nyligen hittat sin svåraste hemlighet att förklara. Kanske kommer lösningen att ligga i den fysik som vi redan känner till.
Ilya Khel
