Som alla vet expanderar universum ständigt. Men många inser inte ens att processen accelererar och att fysiker inte har en sund förklaring till detta fenomen. En grupp teoretiker föreslog att en mystisk "mörk energi" var inblandad, och nu kommer vi i en tillgänglig form att berätta vad det är.
I nästan två decennier har astronomer vetat att universums expansion växer fram, som om en mystisk "mörk energi" blåser upp den från insidan, som en ballong. Denna energi är fortfarande ett av de största mysterierna i fysik idag. Nu hävdar en trio teoretiker att mörk energi kommer från en fantastisk källa. Så läskigt som det kanske låter, enligt deras åsikt, strider det mot de fysiska grunderna som alla lärde sig i skolan: mängden total energi i universum är inte fast och oförändrad, den kan gradvis försvinna.
Enligt forskare kan mörk energi vara ett speciellt fält, lite som elektriskt, som fyller rymden. Å andra sidan kan det vara en del av själva kosmos, som kallas den kosmologiska konstanten (annars lambda-termen). Det andra scenariot ser ut som ett hån mot Einsteins relativitetsteori, som hävdar att gravitation uppstår när massa och energi böjer rum och tid. Faktum är att den kosmologiska konstanten också är en uppfinning av Einstein, och han uppfann den bokstavligen genom att lägga till en konstant i sina ekvationer för att förklara hur universum motstår förstörelse genom sin egen gravitation. Men han övergav idén när astronomer på 1920-talet upptäckte att universum inte var statiskt utan expanderade som om det hade fötts av en explosion.
Vid närmare observation blev det klart att universums expansion växte snabbare och den kosmologiska konstanten återvände igen. Inom ramen för kvantmekanik blir det dock mycket mer listigt. Kvantmekanik föreslår att vakuumet i sig måste svänga omärkbart. I allmänhet relativitet producerar dessa små kvantfluktuationer energi som kommer att tjäna som den kosmologiska konstanten. Men allt annat lika måste det vara 120 storleksordningar större för att förstöra universum. Så förklaringen till varför den kosmologiska konstanten, även om den existerar, men i en mycket blygsam form, är ett stort mysterium för fysiker. När det ännu inte var nödvändigt antog fysiker helt enkelt att någon ännu okänd effekt helt enkelt skulle minska den till noll.
Nu hävdar Thibault Josette och Alejandro Perez vid University of Aix-Marseille i Frankrike och Daniel Sudarski vid National Autonomous University of Mexico i Mexico City att de har hittat ett sätt att få fram ett rimligt värde för den kosmologiska konstanten. De började med en version av allmän relativitet, som Einstein själv uppfann, kallad unimodular gravitation. Generell relativitet antar matematisk symmetri, allmän kovarians, vilket innebär att oavsett hur du bestämmer en koordinats position i rum och tid, kommer den teoretiska förutsägelsen att förbli densamma. Denna symmetri kräver bevarande av energi och fart. Unimodular gravitation har en mer begränsad version av denna matematiska symmetri.
Detta system återger de flesta antagandena om allmän relativitet. Men enligt det skapar kvantfluktuationer i vakuum inte gravitation eller påverkar den kosmologiska konstanten (som trots allt bara är en matematisk konstant och dess värde kan vara vad som helst). Men detta har ett pris: omodulär tyngdkraft kräver inte energi för att spara, så teoretiker måste begränsa det godtyckligt.
En trio vetenskapsmän har visat att unimodulär tyngdkraft, om den accepteras och får bryta mot lagen om bevarande av energi och fart, faktiskt sätter värdet på den angivna konstanten. Argumentet är matematiskt, men till och med en liten del av energin som försvinner i universum lämnar ett spår i form av en förändring i den kosmologiska konstanten. "Den mörka energin i vår modell är just resultatet av hur mycket energi och fart som har gått förlorat i universum under hela dess existens", säger Perez.
För att bevisa att deras teori är rimlig och tillämplig på verkligheten tittade forskarna på två scenarier om hur brott mot lagen om bevarande av energi teoretiskt skulle påverka de underliggande problemen med kvantmekanik. Till exempel försöker teorin om kontinuerlig spontan lokalisering (CSL) att förklara varför subatomära partiklar som elektroner bokstavligen kan finnas på två platser samtidigt, men så stora föremål som bilar eller människor inte kan. CSL antar att sådana tillstånd av materia spontant uppstår och sönderfaller i beroende, vilket ökar med en ökning av ett objekts volym, vilket innebär att ett stort objekt helt enkelt inte kan vara "dubbelt" under jordens förhållanden. Mot denna teori är det faktum att den inte tar hänsyn till bevarande av energi. Teoretiker har dock visat att summan av brott mot bestämmelserna om energibesparing är just det,för att ge en kosmologisk konstant av önskad storlek.
Kampanjvideo:
Icke desto mindre, enligt vissa forskare, spelar teoretiker helt enkelt med matte. De måste fortfarande anta att den kosmologiska konstanten börjar med något litet värde, men de förklarar inte denna aspekt. Men modern fysik är full av oförklarliga konstanter, såsom laddningen av en elektron eller ljusets hastighet, så det här är bara en annan konstant på en lång lista.