De la sfârșitul anilor 1920, astronomii au fost conștienți de faptul că Universul se află într-o stare de expansiune. Prezisă inițial de Teoria relativității generale a lui Einstein, această realizare a continuat să informeze modelul cosmologic cel mai acceptat - teoria Big Bang. Cu toate acestea, lucrurile au devenit oarecum confuze în anii 90, când observații îmbunătățite au arătat că rata de expansiune a Universului a fost accelerată de miliarde de ani.
Aceasta a dus la teoria energiei întunecate, o forță invizibilă misterioasă care conduce la extinderea cosmosului. La fel ca Matterul Întunecat, care a explicat „masa lipsă”, a devenit apoi necesară găsirea acestei energii evazive, sau cel puțin furnizarea unui cadru teoretic coerent. Un nou studiu de la Universitatea din Columbia Britanică (UBC) încearcă să facă doar asta prin postularea Universului se extinde din cauza fluctuațiilor în spațiu și timp.
Studiul - care a fost publicat recent în jurnal Revista fizică D - a fost condus de Qingdi Wang, doctorand la Departamentul de Fizică și Astronomie la UBC. Sub supravegherea profesorului UBC William Unruh (omul care a propus efectul Unruh) și cu asistența Zhen Zhu (un alt doctorand la UBC), oferă o nouă abordare a energiei întunecate.
Echipa a început prin abordarea inconsistențelor care apar din cele două teorii principale care explică împreună toate fenomenele naturale din Univers. Aceste teorii nu sunt altceva decât Relativitatea generală și mecanica cuantică, care explică în mod eficient modul în care Universul se comportă pe cea mai mare scară (adică stele, galaxii, ciorchini) și pe cele mai mici (particule subatomice).
Din păcate, aceste două teorii nu sunt consistente atunci când este vorba despre o chestiune mică cunoscută sub numele de gravitație, pe care oamenii de știință încă nu sunt capabili să o explice în ceea ce privește mecanica cuantică. Existența energiei întunecate și extinderea Universului sunt un alt punct de dezacord. Pentru început, teoriile despre candidați precum energia în vid - care este una dintre cele mai populare explicații pentru Dark Energy - prezintă incongruențe grave.
Conform mecanicii cuantice, energia în vid ar avea o densitate de energie incredibil de mare. Dar dacă acest lucru este adevărat, atunci Relativitatea generală prevede că această energie ar avea un efect gravitațional incredibil de puternic, unul care ar fi suficient de puternic pentru a provoca Universul să explodeze ca mărime. După cum prof. Unruh a împărtășit cu Space Magazine prin email:
„Problema este că orice calcul naiv al energiei de vid dă valori uriașe. Dacă se presupune că există un fel de întrerupere, nu se poate obține densități de energie mult mai mari decât densitatea energetică Planck (sau aproximativ 1095 Joule / metru³) apoi se constată că se obține o constantă Hubble - scala de timp în care Universul se dublează aproximativ ca mărime - de ordinul 10-44 sec. Deci, abordarea obișnuită este să spunem că ceva reduce acest lucru în așa fel încât să obținem în schimb rata de expansiune reală de aproximativ 10 miliarde de ani. Dar acel „cumva” este destul de misterios și nimeni nu a venit cu un mecanism chiar pe jumătate convingător. ”
În timp ce alți oameni de știință au încercat să modifice teoriile relativității generale și a mecanicii cuantice pentru a rezolva aceste inconsecvențe, Wang și colegii săi au căutat o abordare diferită. După cum a explicat Wang pentru Space Magazine prin e-mail:
Studiile anterioare încearcă fie să modifice mecanica cuantică într-un fel pentru a reduce energia în vid, fie încearcă să modifice Relativitatea Generală, într-un fel, să amortizeze gravitația pentru energia vidului. Cu toate acestea, mecanica cuantică și Relativitatea generală sunt cele mai de succes două teorii care explică modul în care funcționează Universul nostru ... În loc să încercăm să modificăm mecanica cuantică sau Relativitatea generală, credem că mai întâi ar trebui să le înțelegem mai bine. Luăm în serios marea densitate de energie a vidului prevăzută de mecanica cuantică și îi lăsăm să graviteze în conformitate cu Relativitatea generală, fără a modifica nici unul dintre ei. ”
De dragul studiului lor, Wang și colegii săi au efectuat noi seturi de calcule asupra energiei în vid, care au luat în considerare densitatea ridicată a energiei sale. Apoi au luat în considerare posibilitatea ca pe cea mai mică dintre cântare - miliarde de ori mai mici decât electronii - materialul de spațiu să fie supus unor fluctuații sălbatice, oscilând în fiecare punct între expansiune și contracție.
Pe măsură ce înclină înainte și înapoi, rezultatul acestor oscilații este un efect net în care Universul se extinde lent, dar într-o viteză accelerată. După ce și-au efectuat calculele, au observat că o astfel de explicație a fost în concordanță atât cu existența densității cuantice a energiei în vid cât și cu Relativitatea generală. În plus, este în concordanță cu ceea ce oamenii de știință au observat în Universul nostru de aproape un secol. După cum l-a descris Unruh:
„Calculele noastre au arătat că s-ar putea considera în mod constant [că] Universul pe cele mai mici scări se extinde și se contractă într-un ritm absurd de rapid; dar că pe scară largă, din cauza unei medii peste aceste scări minuscule, fizica nu va observa acea „spumă cuantă”. Are un efect rezidual minuscul pentru a da o constantă cosmologică eficientă (efect de tip energetic întunecat). În unele moduri, este ca valurile de pe ocean care se deplasează ca și cum oceanul ar fi perfect neted, dar știm cu adevărat că există acest dans incredibil al atomilor care alcătuiesc apa, iar valurile medii peste aceste fluctuații și acționează ca și cum suprafața era netedă.
Spre deosebire de teoriile contradictorii ale unui Univers în care diversele forțe care îl guvernează nu pot fi rezolvate și trebuie să se anuleze reciproc, Wang și colegii săi prezintă o imagine în care Universul este în continuă mișcare. În acest scenariu, efectele energiei de vid sunt de fapt auto-anulabile și, de asemenea, dau naștere expansiunii și accelerării pe care le-am observat în tot acest timp.
Deși poate fi prea curând să ne spunem, această imagine a unui Univers care este extrem de dinamică (chiar și la cele mai mici scale) ar putea revoluționa înțelegerea noastră despre spațiu. Cel puțin, aceste descoperiri teoretice vor fi sigur că vor stimula dezbaterea în cadrul comunității științifice, precum și experimente concepute pentru a oferi dovezi directe. Și asta, așa cum știm, este singura cale prin care putem avansa înțelegerea acestui lucru cunoscut sub numele de Univers.
