Kogu maailma astronoomid on pisut kimbatuses, sest nad ei suuda ilmselt kokku leppida selles, kui kiiresti universum laieneb.
Alates sellest, kui meie universum tekkis lõpmatu tiheduse ja raskusega pisikese tämbri plahvatusest, on see õhku paisunud ja ka mitte ühtlase kiirusega - universumi paisumine kiireneb.
Kuid kui kiiresti see laieneb, on peetud peadpööritavat arutelu. Selle laienemiskiiruse mõõtmised lähedalasuvatest allikatest näivad olevat vastuolus sama mõõtmisega, mis on võetud kaugetest allikatest. Üks võimalik seletus on see, et põhimõtteliselt toimub universumis midagi pöörast, muutes laienemiskiirust.
Ja üks teoreetik on välja pakkunud, et on tekkinud uhiuus osake ja see muudab kogu meie kosmose edasist saatust.
Hubble, Hubble, vaeva ja vaeva
Astronoomid on välja töötanud mitu nutikat viisi, kuidas mõõta seda, mida nad nimetavad Hubble'i parameetriks või Hubble'i konstandiks (hõivatud eluga inimeste jaoks tähistatud kui H0). See arv tähistab tänapäeva universumi laienemiskiirust.
Üks võimalus täna laienemiskiiruse mõõtmiseks on vaadata lähedalasuvaid supernoovasid, gaasi ja tolmu plahvatust, mis lasti universumi suurimate tähtede juure nende surma korral. On olemas teatud tüüpi supernoova, millel on väga spetsiifiline heledus, nii et saame võrrelda, kui heledad nad välja näevad, kui heledad me teame, et nad peaksid olema, ja arvutada vahemaa. Seejärel saavad astrofüüsikud, vaadates supernoova peremeesgalaktikast tulevat valgust, ka välja arvutada, kui kiiresti nad meist eemalduvad. Kui kõik tükid kokku panna, saame siis arvutada universumi paisumiskiiruse.
Kuid universumis on midagi enamat kui tähtede plahvatus. Seal on ka midagi, mida nimetatakse kosmiliseks mikrolaine taustaks, mis on järelejäänud valgus just pärast suurt pauku, kui meie universum oli kõigest laps, vaid 380 000 aastat vana. Missioonidega nagu Plancki satelliit, mille ülesandeks on selle jäänukkiirguse kaardistamine, on teadlastel selle tausta kohta uskumatult täpsed kaardid, mida saab kasutada väga täpse pildi saamiseks universumi sisust. Ja sealt saame need koostisosad võtta ja arvutimudelitega edasi liikuda ning öelda, milline peaks täna olema laienemiskiirus - eeldades, et universumi põhikomponendid pole sellest ajast alates muutunud.
Need kaks hinnangut ei ole piisavalt nõus, et panna inimesi natuke muretsema, et meil midagi puudu on.
Vaata pimeda poole
Võib-olla on üks või mõlemad mõõtmised valed või puudulikud; rohkelt teadlasi mõlemalt poolt arutelu libistavad vastased sobiva koguse muda. Kui aga eeldame, et mõlemad mõõtmised on täpsed, siis vajame erinevate mõõtmiste selgitamiseks midagi muud. Kuna üks mõõtmine pärineb väga varasest universumist ja teine pärineb suhteliselt uuemast ajast, arvatakse, et võib-olla muudab mõni uus kosmose koostisosa universumi paisumiskiirust viisil, mida me veel oma mudelid.
Ja mis domineerib täna universumi laienemises, on salapärane nähtus, mida me nimetame tumedaks energiaks. See on vinge nimi millelegi, millest me põhimõtteliselt aru ei saa. Kõik, mida me teame, on see, et universumi paisumiskiirus täna kiireneb ja me nimetame seda kiirendust juhtivat jõudu "tumedaks energiaks".
Meie võrdluses noorest universumist tänapäeva universumini eeldavad füüsikud, et tume energia (mis iganes see on) on konstantne. Kuid selle eeldusega on meil praegused erimeelsused, nii et võib-olla muutub tume energia.
Ma arvan, et see on laskmist väärt. Oletame, et tume energia on muutumas.
Teadlastel on hiiliv kahtlus, et tumedal energial on midagi pistmist energiaga, mis on lukustatud ruumi-aja enda vaakumisse. See energia pärineb kõigist universumi läbistavatest “kvantväljadest”.
Kaasaegses kvantfüüsikas on iga osake osake seotud oma konkreetse väljaga. Need väljad pesevad läbi kogu aegruumi ja mõnikord erutuvad väljade bitid kohati, muutudes osakesteks, mida me tunneme ja armastame - nagu elektronid ja kvargid ning neutriinod. Nii et kõik elektronid kuuluvad elektronvälja, kõik neutriinod kuuluvad neutriinovälja jne. Nende väljade vastastikune mõju on kvantmaailma mõistmise põhialus.
Ja ükskõik kus te universumis lähete, ei saa te kvantväljadest pääseda. Isegi siis, kui nad ei vibreeri konkreetses kohas osakese moodustamiseks piisavalt, on nad ikkagi seal, tiirutavad ja vibreerivad ning teevad oma tavalist kvantlikku asja. Nii et neil kvantväljadel on nendega seotud põhiline kogus energiat, isegi paljas tühjas vaakumis.
Kui tahame tumeda energia selgitamiseks kasutada aegruumi vaakumi eksootilist kvantenergiat, satuvad meid kohe probleemid. Kui me teostame mõned väga lihtsad, väga naiivsed arvutused selle kohta, kui palju energiat on vaakumis kõigi kvantväljade tõttu, saame lõpuks numbri, mis on umbes 120 suurusjärku tugevam kui see, mida me tumeda energiana jälgime. Oih!
Teisest küljest, kui proovime keerukamaid arvutusi, saame lõpuks numbri, mis on null. Mis ei nõustu ka mõõdetud tumeda energia kogusega. Oih jälle.
Nii et ükskõik, mis juhtub, on meil tõesti väga raske proovida pimedast energiast aru saada ruumiaja vaakumenergia (nende kvantväljade loodud energia) abil. Kuid kui need laienemiskiiruse mõõtmised on täpsed ja tume energia tõesti muutub, siis võib see meile mõista nende kvantväljade olemust. Täpsemalt, kui tume energia on muutumas, tähendab see, et kvantväljad ise on muutunud.
Ilmub uus vaenlane
Värskes veebiväljaandes, mis on avaldatud eeltrükiajakirjas arXiv, on Padova ülikooli teoreetiline füüsik Massimo Cerdonio arvutanud tumeda energia muutuse arvestamiseks vajalike kvantväljade muutuste summa.
Kui tumeda energia muutuse eest vastutab uus kvantväli, tähendab see, et universumis on uus osake.
Ja tumeda energia muutuse hulk, mille Cerdonio arvutas, nõuab teatud tüüpi osakeste massi, mis osutub enam-vähem samasuguseks uut tüüpi osakeste massiks, mida juba ennustati: nn aksioon. Füüsikud leiutasid selle teoreetilise osakese, et lahendada mõned probleemid kvantimõistmisel tugeva tuumajõu kohta.
See osake ilmus arvatavasti väga varases universumis, kuid on "varitsenud" taustal, samal ajal kui teised jõud ja osakesed kontrollisid universumi suunda. Ja nüüd on telje kord ...
Isegi nii ei ole me kunagi aksiooni tuvastanud, kuid kui need arvutused on õiged, tähendab see, et aksioon on seal väljas, täites universumi ja selle kvantvälja. Ka see hüpoteetiline suund teeb end juba märgatavaks, muutes tumeda energia kogust kosmoses. Võib juhtuda, et kuigi me pole seda osakesi kunagi laboris näinud, muudab see meie universumit juba kõige suurema skaalaga.
