Siden slutten av 1920-tallet har astronomer vært klar over at universet er i en ekspansjonstilstand. Opprinnelig spådd av Einsteins teori om generell relativitet, har denne erkjennelsen gått videre til å informere den mest aksepterte kosmologiske modellen - Big Bang Theory. Imidlertid ble ting noe forvirrende i løpet av 1990-tallet, da forbedrede observasjoner viste at universets ekspansjonshastighet har akselerert i milliarder av år.
Dette førte til teorien om Dark Energy, en mystisk usynlig kraft som driver utvidelsen av kosmos. I likhet med Dark Matter som forklarte den "manglende massen", ble det da nødvendig å finne denne unnvikende energien, eller i det minste gi et sammenhengende teoretisk rammeverk for den. En ny studie fra University of British Columbia (UBC) søker å gjøre nettopp det ved å postulere universet utvides på grunn av svingninger i rom og tid.
Studien - som nylig ble publisert i tidsskriftet Fysisk gjennomgang D - ble ledet av Qingdi Wang, en doktorgradsstudent ved Institutt for fysikk og astronomi ved UBC. Under veiledning av UBC-professor William Unruh (mannen som foreslo Unruh-effekten) og med bistand fra Zhen Zhu (en annen doktorgradsstudent ved UBC), gir de en ny satsing på Dark Energy.
Teamet begynte med å ta opp uoverensstemmelsene som oppsto i de to hovedteoriene som sammen forklarer alle naturfenomener i universet. Disse teoriene er ingen ringere enn General Relativity og kvantemekanikk, som effektivt forklarer hvordan universet oppfører seg på det største av skalaer (dvs. stjerner, galakser, klynger) og de minste (subatomære partikler).
Dessverre er disse to teoriene ikke konsistente når det gjelder en liten sak kjent som gravitasjon, noe forskere fremdeles ikke kan forklare når det gjelder kvantemekanikk. Eksistensen av Dark Energy og utvidelsen av universet er et annet poeng av uenighet. For det første presenterer kandidatteorier som vakuumenergi - som er en av de mest populære forklaringene til Dark Energy - alvorlige uoverensstemmelser.
I følge kvantemekanikk ville vakuumenergi ha en utrolig stor energitetthet for den. Men hvis dette er sant, forutsier General Relativity at denne energien vil ha en utrolig sterk gravitasjonseffekt, en som vil være kraftig nok til å få universet til å eksplodere i størrelse. Som prof. Unruh delte med Space Magazine via e-post:
“Problemet er at enhver naiv beregning av vakuumenergien gir enorme verdier. Hvis man antar at det er en form for avskjæring, så man ikke kan få energitetthet mye større enn Planck energitetthet (eller ca. 1095 Joules / meter³) så finner man ut at man får en Hubble-konstant - tidsskalaen som universet omtrent dobler i størrelse - i størrelsesorden 10-44 sek. Så den vanlige tilnærmingen er å si at noe på en eller annen måte reduserer det ned slik at man får den faktiske utvidelsesgraden på rundt 10 milliarder år i stedet. Men at ‘på en eller annen måte’ er ganske mystisk og ingen har kommet frem til en enda halvt overbevisende mekanisme. ”
Mens andre forskere har forsøkt å endre teoriene om generell relativitet og kvantemekanikk for å løse disse uoverensstemmelsene, søkte Wang og hans kolleger en annen tilnærming. Som Wang forklarte til Space Magazine via e-post:
”Tidligere studier prøver enten å modifisere kvantemekanikken på en eller annen måte for å gjøre vakuumenergi liten, eller prøver å endre generell relativitet på noen måte for å gjøre tyngdekraften følelsesløs for vakuumenergi. Kvantemekanikk og generell relativitet er imidlertid de to mest suksessrike teoriene som forklarer hvordan universet vårt fungerer ... I stedet for å prøve å endre kvantemekanikk eller generell relativitet, mener vi at vi først burde forstå dem bedre. Vi tar den store vakuumenergitettheten som er forutsagt av kvantemekanikken alvorlig, og la dem bare gravitere i henhold til generell relativitet uten å endre noen av dem. ”
Av hensyn til studien utførte Wang og kollegene nye sett med beregninger på vakuumenergi som tok hensyn til dens forutsagte høye energitetthet. De vurderte da muligheten for at på de minste skalaene - milliarder ganger mindre enn elektroner - stoffet i romtid er utsatt for ville svingninger og svinger på hvert punkt mellom utvidelse og sammentrekning.
Når det svinger fram og tilbake, er resultatet av disse svingningene en nettoeffekt der universet utvider seg sakte, men med en akselererende hastighet. Etter å ha utført sine beregninger bemerket de at en slik forklaring stemte overens med både eksistensen av kvantvakuumenergitetthet og generell relativitet. På toppen av det stemmer det også med det forskerne har observert i universet vårt i nesten et århundre. Som Unruh beskrev det:
“Våre beregninger viste at man konsekvent kunne se [at] universet på de minste skalaene faktisk utvider og trekker seg sammen med en absurd hastighet; men at i stor skala, på grunn av et gjennomsnitt over de bittesmå skalaene, ville fysikken ikke legge merke til det ‘kvanteskummet’. Det har en liten resteffekt ved å gi en effektiv kosmologisk konstant (mørk energitypeeffekt). På noen måter er det som bølger på havet som beveger seg som om havet var helt glatt, men vi vet virkelig at det er denne utrolige dansen på atomene som utgjør vannet, og bølger er gjennomsnittlig over disse svingningene, og fungerer som om overflaten var glatt. ”
I motsetning til motstridende teorier om et univers der de forskjellige kreftene som styrer det ikke kan løses og må avlyse hverandre, presenterer Wang og kollegene et bilde der universet stadig er i bevegelse. I dette scenariet er virkningene av vakuumenergi faktisk selvdempende, og gir også opphav til utvidelsen og akselerasjonen vi har observert hele denne tiden.
Selv om det kan være for tidlig å fortelle, kan dette bildet av et univers som er svært dynamisk (selv på de minste skalaene) revolusjonere vår forståelse av romtid. I det minste er disse teoretiske funnene sikre på å stimulere til debatt i det vitenskapelige samfunnet, så vel som eksperimenter designet for å tilby direkte bevis. Og det er, som vi vet, den eneste måten vi kan fremme vår forståelse av denne saken kjent som Universet.
