Астрономы по всему миру немного взволнованы, потому что они не могут прийти к единому мнению о том, как быстро расширяется Вселенная.
С тех пор, как наша вселенная возникла в результате взрыва крошечной крошки бесконечной плотности и гравитации, она раздувалась, и не с постоянной скоростью - расширение вселенной продолжает ускоряться.
Но как быстро это расширилось было для головокружительных дебатов. Измерения этой скорости расширения из близлежащих источников, по-видимому, противоречат тем же измерениям, полученным из удаленных источников. Одно из возможных объяснений состоит в том, что, по сути, во вселенной происходит нечто странное, меняющее скорость расширения.
И один теоретик предположил, что появилась совершенно новая частица, которая меняет будущую судьбу всего нашего космоса.
Хаббл, Хаббл, тяжелый труд и неприятности
Астрономы разработали несколько хитроумных способов измерения того, что они называют параметром Хаббла, или постоянной Хаббла (обозначается для людей с занятой жизнью как H0). Это число представляет скорость расширения Вселенной сегодня.
Один из способов измерить скорость расширения сегодня - это посмотреть на близлежащие сверхновые звезды, взрыв газа и пыли, вызванный крупнейшими звездами вселенной после их смерти. Существует особый вид сверхновой, который имеет очень специфическую яркость, поэтому мы можем сравнить яркость, с которой они выглядят, с тем, насколько мы знаем, что они должны быть, и рассчитать расстояние. Затем, взглянув на свет от галактики-хозяина сверхновой, астрофизики также могут рассчитать, насколько быстро они удаляются от нас. Собрав все части воедино, мы можем рассчитать скорость расширения вселенной.
Но во вселенной есть нечто большее, чем взрывающиеся звезды. Есть также нечто, называемое космическим микроволновым фоном, который является остатком света после Большого взрыва, когда наша вселенная была простым ребенком, которому было всего 380 000 лет. С такими миссиями, как спутник Планка, задачей которого является картирование этого остаточного излучения, ученые получают невероятно точные карты этого фона, которые можно использовать для получения очень точной картины содержимого вселенной. И оттуда мы можем взять эти ингредиенты и запустить часы с компьютерными моделями и быть в состоянии сказать, какой должна быть скорость расширения сегодня - при условии, что фундаментальные компоненты вселенной с тех пор не изменились.
Этих двух оценок достаточно, чтобы заставить людей немного волноваться, что мы что-то упустили.
Посмотри на темную сторону
Возможно, одно или оба измерения неверны или неполны; множество ученых по обе стороны дискуссии обливают достаточное количество грязи своим противникам. Но если мы предположим, что оба измерения точны, то нам нужно что-то еще, чтобы объяснить различные измерения. Поскольку одно измерение исходит из самой ранней вселенной, а другое - из сравнительно недавнего времени, мысль состоит в том, что, возможно, какой-то новый ингредиент в космосе изменяет скорость расширения вселенной таким образом, который мы еще не зафиксировали в нашей моделей.
И то, что сегодня доминирует в расширении Вселенной, является загадочным явлением, которое мы называем темной энергией. Это потрясающее название для чего-то, чего мы в принципе не понимаем. Все, что мы знаем, - это то, что скорость расширения Вселенной сегодня ускоряется, и мы называем силу, управляющую этим ускорением, «темной энергией».
В наших сравнениях юной вселенной с современной вселенной физики предполагают, что темная энергия (чем бы она ни была) постоянна. Но с этим предположением у нас есть настоящее несогласие, поэтому, возможно, темная энергия меняется.
Я думаю, это стоит того. Давайте предположим, что темная энергия меняется.
Ученые подозревают, что темная энергия как-то связана с энергией, которая заперта в вакууме самого пространства-времени. Эта энергия исходит от всех «квантовых полей», которые пронизывают вселенную.
В современной квантовой физике каждый отдельный тип частиц связан с собственным полем. Эти поля омывают все пространство-время, и иногда кусочки полей действительно местами возбуждаются, становясь частицами, которые мы знаем и любим - как электроны, кварки и нейтрино. Таким образом, все электроны принадлежат полю электронов, все нейтрино принадлежат полю нейтрино и так далее. Взаимодействие этих полей формирует фундаментальную основу для нашего понимания квантового мира.
И где бы вы ни находились во вселенной, вы не можете избежать квантовых полей. Даже когда они не достаточно вибрируют в определенном месте, чтобы создать частицу, они все еще там, покачиваясь и вибрируя, и делают свое обычное квантовое действие. Таким образом, эти квантовые поля имеют фундаментальное количество энергии, связанной с ними, даже в самом пустом пустом вакууме.
Если мы хотим использовать экзотическую квантовую энергию вакуума пространства-времени для объяснения темной энергии, мы немедленно сталкиваемся с проблемами. Когда мы выполняем очень простые, очень наивные расчеты того, сколько энергии существует в вакууме благодаря всем квантовым полям, мы получаем число, которое примерно на 120 порядков больше, чем то, что мы наблюдаем за темной энергией. Упс.
С другой стороны, когда мы пытаемся сделать более сложные вычисления, мы получаем нулевое число. Что также не соответствует измеренному количеству темной энергии. Опять опять
Так что, несмотря ни на что, нам действительно трудно понять темную энергию с помощью языка вакуумной энергии пространства-времени (энергии, создаваемой этими квантовыми полями). Но если эти измерения скорости расширения точны и темная энергия действительно меняется, то это может дать нам ключ к пониманию природы этих квантовых полей. В частности, если темная энергия меняется, это означает, что сами квантовые поля изменились.
Появляется новый враг
В недавней статье, опубликованной онлайн в препринтном журнале arXiv, физик-теоретик Массимо Цердонио из Университета Падуи вычислил величину изменения квантовых полей, необходимую для учета изменения темной энергии.
Если есть новое квантовое поле, которое отвечает за изменение темной энергии, это означает, что во вселенной есть новая частица.
И величина изменения темной энергии, которую вычислил Сердонио, требует определенного вида массы частиц, которая оказывается примерно такой же массой частиц нового типа, которые уже были предсказаны: так называемый аксион. Физики изобрели эту теоретическую частицу, чтобы решить некоторые проблемы с нашим квантовым пониманием сильной ядерной силы.
Эта частица предположительно появилась в очень ранней вселенной, но «скрывалась» на заднем плане, в то время как другие силы и частицы контролировали направление вселенной. И теперь настала очередь аксиона ...
Несмотря на это, мы никогда не обнаруживали аксион, но если эти вычисления верны, то это означает, что аксион находится там, заполняя вселенную и ее квантовое поле. Кроме того, этот гипотетический аксион уже делает себя заметным, изменяя количество темной энергии в космосе. Таким образом, может случиться так, что хотя мы никогда не видели эту частицу в лаборатории, она уже изменяет нашу вселенную в самых больших масштабах.
