С конца 1920-х годов астрономам стало известно о том, что Вселенная находится в состоянии расширения. Первоначально предсказанная теорией общей теории относительности Эйнштейна, эта реализация стала основой самой широко принятой космологической модели - теории большого взрыва. Тем не менее, ситуация стала несколько запутанной в 1990-х годах, когда улучшенные наблюдения показали, что темпы расширения Вселенной ускоряются в течение миллиардов лет.
Это привело к теории Темной Энергии, таинственной невидимой силы, которая движет расширение космоса. Во многом как «Темная материя», которая объясняла «недостающую массу», тогда возникла необходимость найти эту неуловимую энергию или, по крайней мере, создать для нее согласованную теоретическую основу. Новое исследование Университета Британской Колумбии (UBC) направлено на то, чтобы сделать это, утверждая, что Вселенная расширяется из-за колебаний в пространстве и времени.
Исследование - которое недавно было опубликовано в журнале Физический обзор D - возглавлял Цинди Ванг, аспирант кафедры физики и астрономии UBC. Под руководством профессора UBC Уильяма Унру (человека, предложившего эффект Унру) и при содействии Жень Чжу (еще одного аспиранта в UBC) они дают новый взгляд на Темную энергию.
Команда начала с рассмотрения несоответствий, возникающих из двух основных теорий, которые вместе объясняют все природные явления во Вселенной. Эти теории - не что иное, как Общая теория относительности и квантовая механика, которые эффективно объясняют, как Вселенная ведет себя на самых больших из масштабов (то есть, звезды, галактики, скопления) и наименьших (субатомные частицы).
К сожалению, эти две теории несовместимы, когда речь идет о небольшом веществе, известном как гравитация, которое ученые до сих пор не могут объяснить с точки зрения квантовой механики. Существование Темной Энергии и расширение Вселенной - еще одна точка разногласий. Для начала, теории кандидатов, такие как вакуумная энергия - что является одним из самых популярных объяснений Темной Энергии - представляют серьезные несоответствия.
Согласно квантовой механике, энергия вакуума будет иметь невероятно большую плотность энергии. Но если это правда, то Общая теория относительности предсказывает, что эта энергия будет иметь невероятно сильный гравитационный эффект, который будет достаточно мощным, чтобы заставить Вселенную взорваться в размерах. Профессор Унру поделился с Space Magazine по электронной почте:
«Проблема в том, что любой наивный расчет энергии вакуума дает огромные значения. Если предположить, что существует какая-то отсечка, поэтому нельзя получить плотности энергии намного больше, чем плотность энергии Планка (или около 1095 Джоулей / метр3) затем вы обнаруживаете, что получаете постоянную Хаббла - масштаб времени, на котором Вселенная примерно удваивается в размере - порядка 10-44 сек. Таким образом, обычный подход состоит в том, чтобы сказать, что как-то что-то уменьшает это, так что вместо этого получается фактический темп расширения около 10 миллиардов лет. Но это «как-то» довольно загадочно, и никто даже не придумал даже наполовину убедительного механизма ».
В то время как другие ученые стремились изменить теории общей теории относительности и квантовой механики, чтобы разрешить эти противоречия, Ван и его коллеги искали другой подход. Как объяснил Ван космическому журналу по электронной почте:
«Предыдущие исследования либо пытались каким-то образом модифицировать квантовую механику, чтобы сделать вакуумную энергию малой, либо пытаться каким-то образом модифицировать общую относительность, чтобы гравитация притупила энергию вакуума. Тем не менее, квантовая механика и общая теория относительности являются двумя наиболее успешными теориями, которые объясняют, как работает наша Вселенная ... Вместо того, чтобы пытаться модифицировать квантовую механику или общую теорию относительности, мы считаем, что сначала мы должны лучше понять их. Мы серьезно относимся к большой плотности энергии вакуума, предсказываемой квантовой механикой, и просто позволяем им тяготеть в соответствии с общей теорией относительности, не изменяя ни одну из них ».
Ради своего исследования Ван и его коллеги выполнили новые расчеты по энергии вакуума, которые приняли во внимание его прогнозируемую высокую плотность энергии. Затем они рассмотрели возможность того, что в крошечных масштабах - в миллиарды раз меньше электронов - ткань пространства-времени подвержена диким колебаниям, колеблющимся в каждой точке между расширением и сокращением.
Когда он колеблется взад и вперед, результатом этих колебаний является суммарный эффект, при котором Вселенная расширяется медленно, но с ускоряющейся скоростью. После выполнения своих расчетов они отметили, что такое объяснение согласуется как с существованием квантовой плотности энергии вакуума, так и с общей теорией относительности. Кроме того, это также согласуется с тем, что ученые наблюдали в нашей Вселенной в течение почти столетия. Как сказал Унру:
«Наши расчеты показали, что можно постоянно считать [что] вселенная в самых крошечных масштабах фактически расширяется и сжимается с невероятно быстрой скоростью; но в широком масштабе, из-за усреднения по этим крошечным шкалам, физика не заметит эту «квантовую пену». Это имеет крошечный остаточный эффект в предоставлении эффективной космологической постоянной (эффект типа темной энергии). В некотором смысле это похоже на волны в океане, которые движутся так, как если бы океан был совершенно гладким, но на самом деле мы знаем, что существует этот невероятный танец атомов, которые составляют воду, и волны усредняют эти колебания и действуют так, как если бы поверхность была гладкой ».
В отличие от противоречивых теорий Вселенной, где различные силы, которые управляют ею, не могут быть решены и должны уничтожать друг друга, Ванг и его коллеги представляют картину, где Вселенная постоянно находится в движении. В этом сценарии эффекты вакуумной энергии фактически самоуничтожаются, а также вызывают расширение и ускорение, которые мы наблюдали все это время.
Хотя это может быть слишком рано, чтобы сказать, этот образ Вселенной, который является очень динамичным (даже в самых крошечных масштабах), может революционизировать наше понимание пространства-времени. По крайней мере, эти теоретические выводы, несомненно, стимулируют дискуссии в научном сообществе, а также эксперименты, предназначенные для предоставления прямых доказательств. И это, как мы знаем, единственный способ продвинуть наше понимание этой вещи, известной как Вселенная.
