Μια απλή εξήγηση της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας που εκτείνεται στο διάστημα;

Για σχεδόν 2 δεκαετίες, οι κοσμολόγοι γνώριζαν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, σαν κάποια μυστηριώδης «σκοτεινή ενέργεια» να το ανατινάζει σαν μπαλόνι. Το τι είναι η σκοτεινή ενέργεια παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη φυσική. Τώρα, μια τριάδα θεωρητικών υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να πηγάζει από μια εκπληκτική πηγή. Παραδόξως, λένε, η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να προκύψει επειδή —σε αντίθεση με όσα μάθατε στο μάθημα της φυσικής του γυμνασίου— η συνολική ποσότητα ενέργειας στο σύμπαν δεν είναι σταθερή ή «διατηρημένη», αλλά μπορεί σταδιακά να εξαφανιστεί.

«Είναι μια εξαιρετική κατεύθυνση για εξερεύνηση», λέει ο Τζορτζ Έλις, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Κέιπ Τάουν στη Νότια Αφρική, ο οποίος δεν συμμετείχε στη δουλειά. Αλλά ο Antonio Padilla, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Nottingham στο Ηνωμένο Βασίλειο, λέει:"Δεν αγοράζω απαραίτητα αυτό που έχουν κάνει."

Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να είναι ένα νέο πεδίο, λίγο σαν ένα ηλεκτρικό πεδίο, που γεμίζει χώρο. Ή θα μπορούσε να είναι μέρος του ίδιου του χώρου -μια πίεση που είναι εγγενής στο κενό- που ονομάζεται κοσμολογική σταθερά. Το δεύτερο σενάριο ταιριάζει καλά με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία υποθέτει ότι η βαρύτητα προκύπτει όταν η μάζα και η ενέργεια στρεβλώνουν τον χώρο και τον χρόνο. Στην πραγματικότητα, ο Αϊνστάιν εφηύρε την κοσμολογική σταθερά -κυριολεκτικά προσθέτοντας μια σταθερά στις περίφημες διαφορικές εξισώσεις του- για να εξηγήσει πώς το σύμπαν αντιστάθηκε στην κατάρρευση υπό τη δική του βαρύτητα. Όμως εγκατέλειψε την ιδέα ως περιττή όταν στη δεκαετία του 1920 οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι το σύμπαν δεν είναι στατικό, αλλά διαστέλλεται σαν να γεννήθηκε σε έκρηξη.

Με την παρατήρηση ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, η κοσμολογική σταθερά έχει επανέλθει. Φέρτε την κβαντομηχανική και η υπόθεση για την κοσμολογική σταθερά γίνεται δύσκολη, ωστόσο. Η κβαντομηχανική προτείνει ότι το ίδιο το κενό πρέπει να παρουσιάζει ανεπαίσθητες διακυμάνσεις. Στη γενική σχετικότητα, αυτές οι μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις παράγουν μια ενέργεια που θα χρησίμευε ως η κοσμολογική σταθερά. Ωστόσο, θα πρέπει να είναι 120 τάξεις μεγέθους πολύ μεγάλο - αρκετά μεγάλο για να εξαφανίσει το σύμπαν. Έτσι, η εξήγηση γιατί υπάρχει μια κοσμολογική σταθερά, αλλά λίγο πολύ, θέτει ένα σημαντικό εννοιολογικό παζλ για τους φυσικούς. (Όταν δεν υπήρχε ανάγκη για μια κοσμολογική σταθερά, οι θεωρητικοί υπέθεσαν ότι κάποιο άγνωστο αποτέλεσμα απλώς το κάρφωσε στο μηδέν.)

Τώρα, ο Thibault Josset και ο Alejandro Perez του Πανεπιστημίου Aix-Marseille στη Γαλλία και ο Daniel Sudarsky του Εθνικού Αυτόνομου Πανεπιστημίου του Μεξικού στην Πόλη του Μεξικού λένε ότι βρήκαν έναν τρόπο να λάβουν μια λογική τιμή για την κοσμολογική σταθερά. Ξεκινούν με μια παραλλαγή της γενικής σχετικότητας που επινόησε ο ίδιος ο Αϊνστάιν που ονομάζεται μονομορφική βαρύτητα. Η γενική σχετικότητα προϋποθέτει μια μαθηματική συμμετρία που ονομάζεται γενική συνδιακύμανση, η οποία λέει ότι ανεξάρτητα από το πώς επισημάνετε ή χαρτογραφήσετε τις συντεταγμένες του χωροχρόνου - δηλ. θέσεις και χρόνοι γεγονότων — οι προβλέψεις της θεωρίας πρέπει να είναι ίδιες. Αυτή η συμμετρία απαιτεί αμέσως τη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής. Η μονομορφική βαρύτητα διαθέτει μια πιο περιορισμένη εκδοχή αυτής της μαθηματικής συμμετρίας.

Η μονομορφική βαρύτητα αναπαράγει τις περισσότερες από τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, σε αυτό οι κβαντικές διακυμάνσεις του κενού δεν παράγουν βαρύτητα ούτε προσθέτουν στην κοσμολογική σταθερά, η οποία είναι για άλλη μια φορά απλώς μια σταθερά που μπορεί να ρυθμιστεί στην επιθυμητή τιμή. Ωστόσο, υπάρχει ένα κόστος. Η μονομορφική βαρύτητα δεν απαιτεί τη διατήρηση της ενέργειας, επομένως οι θεωρητικοί πρέπει να επιβάλλουν αυτόν τον περιορισμό αυθαίρετα.

Τώρα, ωστόσο, ο Josset, ο Perez και ο Sudarsky δείχνουν ότι στη μονομορφική βαρύτητα, αν απλώς πάνε μαζί της και επιτρέψουν την παραβίαση της διατήρησης της ενέργειας και της ορμής, στην πραγματικότητα θέτει την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς. Το επιχείρημα είναι μαθηματικό, αλλά ουσιαστικά το μικροσκοπικό κομμάτι ενέργειας που εξαφανίζεται στο σύμπαν αφήνει τα ίχνη του αλλάζοντας σταδιακά την κοσμολογική σταθερά. "Στο μοντέλο, η σκοτεινή ενέργεια είναι κάτι που παρακολουθεί πόση ενέργεια και ορμή έχει χαθεί στην ιστορία του σύμπαντος", λέει ο Perez.

Για να δείξουν ότι η θεωρία δίνει λογικά αποτελέσματα, οι θεωρητικοί εξετάζουν δύο σενάρια για το πώς μπορεί να προκύψει η παραβίαση της εξοικονόμησης ενέργειας σε θεωρίες που αντιμετωπίζουν θεμελιώδη ζητήματα της κβαντικής μηχανικής. Για παράδειγμα, μια θεωρία που ονομάζεται συνεχής αυθόρμητος εντοπισμός (CSL) προσπαθεί να εξηγήσει γιατί ένα υποατομικό σωματίδιο όπως ένα ηλεκτρόνιο μπορεί κυριολεκτικά να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα, αλλά ένα μεγάλο αντικείμενο όπως ένα αυτοκίνητο δεν μπορεί. Το CSL υποθέτει ότι τέτοιες καταστάσεις δύο θέσεων ταυτόχρονα καταρρέουν αυθόρμητα στο ένα μέρος ή στο άλλο με πιθανότητα που αυξάνεται με το μέγεθος ενός αντικειμένου, καθιστώντας αδύνατο για ένα μεγάλο αντικείμενο να παραμείνει στην κατάσταση δύο θέσεων. Το χτύπημα ενάντια στο CSL είναι ότι δεν εξοικονομεί ενέργεια. Αλλά οι θεωρητικοί δείχνουν ότι το ποσό που παραβιάζεται η διατήρηση της ενέργειας θα ήταν περίπου αρκετό για να δώσει μια κοσμολογική σταθερά του σωστού μεγέθους.

Η καινοτομία του έργου έγκειται στη χρήση της παραβίασης της διατήρησης της ενέργειας για τη σύνδεση της σκοτεινής ενέργειας με πιθανές επεκτάσεις της κβαντικής θεωρίας, λέει ο Lee Smolin, θεωρητικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά. «Δεν είναι σε καμία περίπτωση οριστικό», λέει. "Αλλά είναι μια ενδιαφέρουσα υπόθεση που ενώνει αυτά τα δύο πράγματα, τα οποία από όσο γνωρίζω κανείς δεν έχει προσπαθήσει να συνδέσει πριν."

Ωστόσο, ο Padilla λέει ότι οι θεωρητικοί παίζουν μαθηματικά τεχνάσματα. Πρέπει ακόμα να υποθέσουν ότι η κοσμολογική σταθερά ξεκινά με κάποια μικρή τιμή που δεν εξηγούν, λέει. Όμως ο Έλις σημειώνει ότι η φυσική βρίθει από ανεξήγητες σταθερές όπως το φορτίο του ηλεκτρονίου ή η ταχύτητα του φωτός. "Αυτό απλώς προσθέτει μια ακόμη σταθερά στη μεγάλη λίστα."

Ο Padilla υποστηρίζει επίσης ότι το έργο έρχεται σε αντίθεση με την ιδέα ότι τα φαινόμενα στη μεγαλύτερη κλίμακα δεν πρέπει να εξαρτώνται από αυτά στη μικρότερη κλίμακα. «Προσπαθείς να περιγράψεις κάτι στην κλίμακα του σύμπαντος», λέει. "Περιμένετε πραγματικά να είναι ευαίσθητο στις λεπτομέρειες της κβαντικής μηχανικής;" Αλλά ο Smolin υποστηρίζει ότι το κοσμολογικό σταθερό πρόβλημα συνδέει ήδη το κοσμικό και το κβαντικό βασίλειο. Λοιπόν, λέει, "Είναι μια νέα ιδέα που θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι σωστή και γι' αυτό αξίζει να σας ενδιαφέρει."