XDF-i täielik UV-nähtav-IR-komposiit; suurim pilt, mis kaugest universumist kunagi välja on antud. Iga siin näidatud galaktika kiireneb lõpuks tänu tumedale energiale meist kaugemale kui valguse kiirus. Pildikrediit: NASA, ESA, H. Teplitz ja M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona Riiklik Ülikool) ja Z. Levay (STScI).

Pimeda energia uus seletus: asi meie universumis

Kuidas võib gravitatsiooniline Casimiri efekt põhjustada meie Universumi kiirenenud laienemist ilma üldse uue füüsikata.

"Kuigi on tõsi, et kvantitatiivsetel mõõtmistel on suur tähtsus, on tõsine viga arvata, et kogu eksperimentaalfüüsika võib sellesse rubriiki viia." -Hendrik Casimir

Kuna leiti, et Universumi laienemine kiireneb esmakordselt ligi 20 aastat tagasi, on teadlased igatsenud veenvat, lihtsat ja kontrollitavat seletust. Kuna katsetest ja vaatlustest on saadud üha rohkem andmeid, on selle tumeda energia - hüpoteegi järgi kiirenemise põhjuse - põhjus hullupööra raskesti leitav. Ehkki see on funktsionaalselt samaväärne „kosmoloogilise konstandiga” (või „kosmosele omase energiaga”), pole selle väärtuse ennustamiseks head viisi. Kuid kui arvestada, et teatud mateeria vormide tühjasse ruumi asetamine muudab selle aine jõud, siis võib-olla tuleneb tume energia kõige lihtsamast põhjusest: tõsiasjast, et meie Universum sisaldab üldse ainet.

Klombide / klastrite mustri kaart, mida meie universumi galaktikad tänapäeval eksponeerivad. Nende struktuuride olemasolu võib selgitada tumeda energia olemasolu ja ulatust tervikuna. Pildikrediit: Greg Bacon / STScI / NASA Goddardi kosmoselennukeskus.

Enamikul universumi jõududest ja nähtustest on põhjused, mida saab hõlpsasti avastada. Kaks massiivset objekti kogevad gravitatsioonijõudu tänu sellele, et kosmoseaega on mateeria ja energia kohalolek kõverdanud. Universum on laienenud, nagu kogu ajaloo vältel, Universumi muutuva energiatiheduse ja esialgsete laienemistingimuste tõttu. Ja kõik Universumi osakesed kogevad interaktsioone, mida nad teevad kvantvälja teooria teadaolevate reeglite ja vektorbosside vahetuse tõttu. Alates väikseimatest, subatomilistest osakestest kuni kõigi suurimate skaaladeni on mängitud samad jõud, mis hoiavad koos kõike prootonitest inimesteni, planeetidelt galaktikateni.

Aatomituumasid koos hoidva jõu eest vastutab tugev jõud, mis toimib nii nagu 'värvilaengu' olemasolu ja gluoonide vahetus. Kujutise krediit: Wikimedia Commonsi kasutaja Qashqaiilove.

Isegi mõnedel salapärasematel nähtustel on põhjalikud selgitused, mis on hästi mõistetavad. Me ei tea, kuidas universumis pidi olema rohkem ainet kui antimaterjal, kuid me teame, et selleks on vajalikud tingimused - baroonide arvu rikkumine, tasakaalutingimustest väljas ning C ja CP rikkumine. Me ei tea, mis on tumeda aine olemus, kuid selle üldised omadused, kus see asub ja kuidas see kokku klammerdub, on hästi mõistetav. Ja me ei tea, kas mustad augud säilitavad teavet või mitte, kuid me mõistame nende objektide lõpp- ja algseisundit, samuti seda, kuidas need tekivad ja mis nende sündmuste horisondi suhtes aja jooksul juhtub.

Pilt mustast august ja seda ümbritsevast, kiirenevast ja sissetungivast kettast. Mustade aukude alg- ja lõppseisundit saab hästi ennustada, isegi kui teabe kadumine või säilitamine praegu seda ei võimalda. Kujutise krediit: NASA.

Kuid on üks asi, millest me üldse aru ei saa: tume energia. Muidugi, saame mõõta Universumi kiirendust ja täpselt määrata, kui suur on selle suurus. Kuid miks on meil üldse universum, mille tumeda energia väärtus pole null? Miks peaks tühjal, ilma igasuguse - ükskõik, kumeruse, kiirguse ja mitte millegi - ruumis olema positiivne, nullist erinev energia? Miks peaks see tingima Universumi enda laienemise alati positiivse, mitte kunagi nulli ulatuva kiirusega? Ja miks peaks see energiakogus, mis on olnud nii uskumatult pisike, et see oli Universumi ajaloo esimese paari miljardi aasta jooksul täiesti märkamatu ja asus Universumit domineerima alles selle Maa moodustamise ajal?

Protoplanetaarse ketta illustratsioon, kus kõigepealt moodustuvad planeedid ja tasapinnalised kujutised, luues kettale lüngad. Umbes neli kuni viis miljardit aastat tagasi, kui meie Päikesesüsteem tekkis, hakkas tume energia samaaegselt domineerima Universumi paisumiskiiruses ja energiatiheduses. Pildikrediit: NAOJ.

Pimeda energia ja Universumi kohta on palju asju, mida saame tähele panna, mis on huvitavad ja vihjavad ühendusele. Tühja ruumi on palju ja me teame, et kogu selles on kvantväljad. Pole ühtegi Universumi piirkonda, kuhu gravitatsioonilised, elektromagnetilised või tuumajõud ei jõuaks; neid on absoluutselt igal pool. Kui proovime arvutada ja nimetada seal asuvate erinevate kvantväljade vaakumisootuse väärtuseks (VEV), saame seda kõigepealt teha vaid umbkaudselt, kuna kirjutada saab lõputult palju termineid, mis lähevad suvaliselt kõrgele järjekorrale. . Kui seeria mingil hetkel kärbime, võime liita ligikaudse panuse ja lõpetame väga pettunud.

Mõni termin, mis aitab kaasa nullpunkti energiale kvant-elektrodünaamikas. Pildikrediit: RL Jaffe, saidilt https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf.

Kui teeme seda matemaatikat, lõpetame panustega, mis on umbes 120 suurusjärku liiga suured, nii positiivsed kui ka negatiivsed. Niipalju kui me võime öelda, ei tühista need täpselt ja isegi kui nad seda teeksid, on meil endiselt see häiriv vaatlusprobleem, mida Universum ei korda uuesti, aeglusta ega asümptitseeri nullini; see on tõesti, tõeliselt kiirenev. Kuidagi on kosmosele omane väike, kuid nullist erinev energia. Ja see energia põhjustab universumi kaugemate galaktikate kiirenemist aja jooksul meist lahkudes, ehkki väga aeglaselt.

Meie Universumi neli võimalikku saatust tulevikku; viimane näib olevat universum, milles me elame, kus domineerib tume energia. Pildikrediit: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Võib-olla on kõigi suurim teoreetiline küsimus miks? Miks universum kiireneb? Meil pole sõna otseses mõttes head selgitust selle tumeda energia põhjuseks. Vaatasime hiljuti võimalust, et tegemist on külmunud neutriinodega või see võib olla sümptom sellest, et meil on laieneva universumiga midagi valesti. Kuid on veel üks võimalus, millele pööratakse väga vähe tähelepanu ja millele tuleks palju juurde saada: see võib olla tühja ruumi omadus ise, mis on põhjustatud muude asjade olemasolust - näiteks mateeriast, mis toimib tõhusa piirina - universumis.

Ja see on võimalik seetõttu, et see on meie teadaolev mõju: Casimiri efekt.

Illustratsioon Casimiri efektist ja sellest, kuidas plaatide välisküljel olevad jõud (ja elektromagnetilise välja lubatud / keelatud olekud) erinevad siseküljel olevatest jõududest. Pildikrediit: Emok / Wikimedia Commons.

Milline on tühja ruumi elektromagnetiline jõud? See pole muidugi midagi. Ilma tasude, voolude ja mõjutamata on see tegelikult null; see pole trikk. Kuid kui paned kaks metallplaati üksteisest piiratud vahemaa vahele ja küsite siis, milline on elektromagnetiline jõud, leiate, et see pole null! Kuna mõned vaakumikõikumiste režiimid on plaatide piiride tõttu keelatud, siis me mitte ainult ei ennusta, vaid mõõdame nende plaatide vahel nullist erinevat jõudu, mis tuleneb millestki muust kui tühjast ruumist endast. Nagu selgub, avaldavad kõik jõud, sealhulgas gravitatsioonijõud, ka Casimiri efekti.

Kaart rohkem kui ühest miljonist galaktikast universumis, kus iga punkt on oma galaktika. Erinevad värvid tähistavad vahemaid, punasemad aga kaugemal. Pildikrediit: Daniel Eisenstein ja SDSS-III koostöö.

Mis juhtub, kui rakendame seda efekti kogu universumis ja proovime arvutada, milline see mõju peaks olema? Vastus on lihtne: saame midagi, mille vorm on kooskõlas tumeda energiaga, ehkki - jällegi - suurusjärgus on kõik vale. See on aga üsna tõenäoline, et funktsioon on tõsiasi, et me ei tea, millised Universumi piiritingimused välja näevad või kuidas seda kvantgravitatsioonilist efekti väga hästi arvutada. Kuid see on uskumatu ja hästi uuritud võimalus, millel on viimase kümne aasta jooksul käimas palju huvitavaid arenguid.

120 000 galaktika ja nende klastriomaduste 3D rekonstrueerimine, mis tuleneb nende punasest nihkest ja suuremahulisest struktuuri moodustumisest. Kujutise krediit: Jeremy Tinker ja SDSS-III koostöö.

Universumi kaardistamine võib osutuda lihtsaks osaks. Võib-olla ei pea see olema vaatluslik või eksperimentaalne läbimurre, mis viib meid mõistma tumedat energiat, kõige kõvemat jõudu Universumis. Võib-olla on see vajalik teoreetiline. Ja võib-olla on see seotud jäljeanomaaliaga, võib-olla selle dünaamilise kogusega, mis on aja jooksul muutunud, ja võib-olla on see isegi märk lisamõõtmetest. Universum on seal väljas ja alles hiljuti avastasime selle kõige raskemini seletatava saladuse. Võib-olla võib lahendus, kui oleme ettevaatlikud, peituda füüsikas, mida me juba tunneme.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".