Astronomi po vsem svetu so malo zamorjeni, ker se ne morejo strinjati o tem, kako hitro se vesolje širi.
Odkar je naše vesolje nastalo zaradi eksplozije drobne pikice neskončne gostote in gravitacije, se je baloniralo, in to ne enakomerno - tudi širitev vesolja postaja vedno hitrejša.
Toda kako hitro se širi, je bilo priča o vrtoglavi razpravi. Zdi se, da so meritve te stopnje razširitve iz bližnjih virov v nasprotju z istim merjenjem iz oddaljenih virov. Ena izmed možnih razlag je, da se v bistvu v vesolju dogaja nekaj fajn, kar spreminja hitrost širjenja.
In en teoretik je predlagal, da se pojavijo čisto novi delci in spremenijo prihodnjo usodo celotnega vesolja.
Hubble, Hubble, napor in težave
Astronomi so zasnovali več pametnih načinov merjenja tega, kar imenujejo Hubblejev parameter ali Hubble konstanta (ki je za ljudi z zasedenimi življenji označena kot H0). To število predstavlja stopnjo širjenja vesolja danes.
Eden od načinov merjenja hitrosti širjenja je danes pogled na bližnje supernove, eksplozijo plina in prahu, ki so se ob največji zvezdi vesolja sprožile ob njihovi smrti. Obstaja posebna vrsta supernove, ki ima zelo specifično svetlost, zato lahko primerjamo, kako svetle so videti, kako svetle, za katere vemo, da naj bi bile, in izračunamo razdaljo. Nato lahko astrofiziki s pogledom na svetlobo iz galaksije gostiteljice supernove izračunajo, kako hitro se oddaljujejo od nas. Z vsemi kosi lahko izračunamo hitrost širjenja vesolja.
Toda v vesolju je več kot eksplodiranje zvezd. Obstaja tudi nekaj, kar se imenuje kozmično mikrovalovno ozadje, ki je ostanki svetlobe tik po velikem udaru, ko je bilo naše vesolje le dojenček, star le 380.000 let. Z misijami, kot je Planckov satelit, ki so naložene za preslikavo tega ostanka sevanja, imajo znanstveniki neverjetno natančne zemljevide tega ozadja, s pomočjo katerih dobijo zelo natančno sliko o vsebini vesolja. Od tam lahko vzamemo te sestavine in poganjamo uro naprej z računalniškimi modeli in lahko povemo, kakšna bi morala biti stopnja širjenja danes - ob predpostavki, da se od takrat niso spremenile temeljne sestavine vesolja.
Ti dve oceni se ne strinjata dovolj, da bi ljudi malce skrbelo, da nekaj pogrešamo.
Poglejte na temno stran
Morda sta ena ali obe meritvi napačni ali nepopolni; veliko znanstvenikov na obeh straneh razprave kopa ustrezne količine blata na nasprotnike. Če pa domnevamo, da sta obe meritvi natančni, potem moramo razložiti različne meritve. Ker ena meritev izvira iz zelo zgodaj vesolja, druga pa iz bolj sorazmernega nedavnega časa, je razmišljanje, da morda kakšna nova sestavina v kozmosu spreminja hitrost širjenja vesolja na način, ki ga še nismo zajeli v našem modelov.
In kar danes prevladuje nad širjenjem vesolja, je skrivnostni pojav, ki mu rečemo temna energija. To je imenitno ime za nekaj, česar v bistvu ne razumemo. Vemo le, da se hitrost širjenja vesolja danes pospešuje, in silo, ki poganja ta pospešek, imenujemo "temna energija."
V naših primerjavah od mladega do današnjega vesolja fiziki domnevajo, da je temna energija (karkoli že je) konstantna. Toda s to domnevo imamo trenutno nestrinjanje, zato se morda temna energija spreminja.
Predvidevam, da je vredno posneti. Predpostavimo, da se temna energija spreminja.
Znanstveniki se sumijo, da temna energija ima nekaj skupne z energijo, ki je zaklenjena v sam vakuum vesolja in časa. Ta energija prihaja iz vseh "kvantnih polj", ki prežemajo vesolje.
V sodobni kvantni fiziki je vsaka vrsta delcev vezana na svoje posebno področje. Ta polja se operejo ves vesolje-čas in včasih se koščki polj ponekod resnično vzburijo in postanejo delci, ki jih poznamo in ljubimo - kot elektroni in kvarki in nevtrini. Torej vsi elektroni pripadajo elektronskem polju, vsi nevtrini pripadajo nevtrinskemu polju itd. Interakcija teh polj je temeljna podlaga za naše razumevanje kvantnega sveta.
In ne glede na to, kam greš v vesolju, se kvantnim poljem ne moreš izogniti. Tudi ko na določenem mestu ne vibrirajo dovolj, da bi naredili delce, so še vedno tam, vihrajo in vibrirajo in delajo svojo normalno kvantno stvar. Tako imajo ta kvantna polja povezana z njimi osnovno količino energije, tudi v samem praznem vakuumu.
Če želimo uporabiti eksotično kvantno energijo vakuuma prostora-časa za razlago temne energije, takoj naletimo na težave. Ko opravimo nekaj zelo preprostih, zelo naivnih izračunov, koliko energije je v vakuumu zaradi vseh kvantnih polj, na koncu dobimo številko, ki je približno 120 vrst velikosti močnejša od tiste, za katero opazimo, da je temna energija. Ups.
Po drugi strani, ko preizkusimo nekaj bolj izpopolnjenih izračunov, na koncu dobimo številko, ki je enaka nič. Kar se prav tako ne strinja z izmerjeno količino temne energije. Spet spet.
Ne glede na to, imamo resnično težko razumeti temno energijo skozi jezik vakuumske energije vesolja-časa (energije, ki jo ustvarjajo ta kvantna polja). Če pa so te meritve stopnje ekspanzije točne in se temna energija res spreminja, bi to lahko dalo namig na naravo teh kvantnih polj. Natančneje, če se temna energija spreminja, to pomeni, da so se tudi sama kvantna polja spremenila.
Pojavi se nov sovražnik
V nedavnem prispevku, objavljenem na spletu v reviji za tisk arXiv, je teoretični fizik Massimo Cerdonio na univerzi v Padovi izračunal količino sprememb kvantnih polj, potrebnih za spremembo temne energije.
Če obstaja novo kvantno polje, ki je odgovorno za spremembo temne energije, to pomeni, da je v vesolju nov delček.
In količina spremembe temne energije, ki jo je izračunal Cerdonio, zahteva določeno vrsto mase delcev, za katero se izkaže, da je približno enaka masi nove vrste delcev, ki je bila že predvidena: tako imenovani aksion. Fiziki so izumili ta teoretični delček, da bi rešili nekaj težav z našim kvantnim razumevanjem močne jedrske sile.
Ta delček se je verjetno pojavil v zelo zgodnjem vesolju, vendar je "skrival" v ozadju, medtem ko so druge sile in delci nadzirali smer vesolja. In zdaj je na vrsti osovina ...
Kljub temu nismo nikoli zaznali aksio, če pa so ti izračuni pravilni, potem to pomeni, da je aksion tam zunaj, ki zapolnjuje vesolje in njegovo kvantno polje. Tudi ta hipotetični aksion se že opazi s spreminjanjem količine temne energije v kozmosu. Torej, čeprav tega delca še nikoli nismo videli v laboratoriju, to že spreminja naše vesolje na največji lestvici.
