От края на 20-те години на миналия век астрономите са били наясно с факта, че Вселената е в състояние на експанзия. Първоначално предвидена от Теорията на общата относителност на Айнщайн, тази реализация продължи да информира най-широко приетия космологичен модел - теорията за Големия взрив. Въпреки това, нещата станаха малко объркващи през 90-те години, когато подобрените наблюдения показаха, че скоростта на разширяване на Вселената се ускорява от милиарди години.
Това доведе до теорията за тъмната енергия, мистериозна невидима сила, която движи разширяването на Космоса. Подобно на Тъмната материя, която обясняваше „липсващата маса“, тогава стана необходимо да се намери тази неуловима енергия или поне да се осигури съгласувана теоретична рамка за нея. Ново проучване на Университета на Британска Колумбия (UBC) се стреми да направи точно това, като постулира Вселената се разширява поради колебанията в пространството и времето.
Изследването - което наскоро беше публикувано в списанието Физически преглед D - беше ръководен от Кингди Уанг, докторант от катедрата по физика и астрономия в UBC. Под надзора на професора на UBC Уилям Унрух (човекът, който предложи ефекта на Unruh) и със съдействието на Zhen Zhu (друг докторант в UBC), те осигуряват ново завладяване на Dark Energy.
Екипът започна с адресиране на несъответствията, произтичащи от двете основни теории, които заедно обясняват всички природни явления във Вселената. Тези теории не са нищо друго освен Обща относителност и квантова механика, които ефективно обясняват как Вселената се държи на най-големите скали (т.е. звезди, галактики, клъстери) и най-малките (субатомни частици).
За съжаление, тези две теории не са последователни, когато става въпрос за малко материя, известна като гравитация, която учените все още не могат да обяснят по отношение на квантовата механика. Съществуването на Тъмната енергия и разширяването на Вселената са друга точка на несъгласие. За начало теориите на кандидатите като вакуумна енергия - което е едно от най-популярните обяснения за Dark Energy - представляват сериозни несъответствия.
Според квантовата механика вакуумната енергия би имала невероятно голяма енергийна плътност към нея. Но ако това е вярно, тогава Общата относителност предсказва, че тази енергия би имала невероятно силен гравитационен ефект, такъв, който би бил достатъчно мощен, за да накара Вселената да избухне по размер. Както проф. Унрух сподели с Space Magazine по имейл:
„Проблемът е, че всяко наивно изчисление на вакуумната енергия дава огромни стойности. Ако се приеме, че има някакво прекъсване, така че не може да се постигне плътност на енергията много по-голяма от енергийната плътност на Планк (или около 1095 Joules / meter³) след това се установява, че човек получава константа на Хъбъл - времевата скала, на която Вселената приблизително се удвоява по размер - от порядъка на 10-44 сек. Така че, обичайният подход е да се каже, че по някакъв начин нещо намалява това надолу, така че човек вместо това да получи действителната скорост на разширяване от около 10 милиарда години. Но това „някак“ е доста загадъчно и никой не е измислил дори наполовина убедителен механизъм. “
Докато други учени се стремят да модифицират теориите за обща относителност и квантова механика, за да разрешат тези несъответствия, Ванг и неговите колеги търсят различен подход. Както Wang обясни пред Space Magazine по имейл:
„Предишни проучвания или се опитват да модифицират квантовата механика по някакъв начин, за да направи енергията на вакуума малък, или се опитват да модифицират Общата относителност по някакъв начин, за да направят гравитацията да изтръпва вакуумна енергия. Въпреки това, квантовата механика и общата относителност са двете най-успешни теории, които обясняват как работи нашата Вселена… Вместо да се опитваме да модифицираме квантовата механика или Общата относителност, ние вярваме, че първо трябва да ги разберем по-добре. Ние приемаме сериозно голямата плътност на енергията на вакуума, предвидена от квантовата механика и просто ги оставяме да гравитират според Общата относителност, без да променят нито една от тях. "
В името на своето проучване Ванг и неговите колеги извършиха нови групи от изчисления на вакуумната енергия, които взеха предвид прогнозираната й висока енергийна плътност. След това те обмислиха възможността тъканта на космическото време да бъде подложена на диви колебания, които се колебаят във всяка точка между разширяването и свиването на най-малките люспи - милиарди пъти по-малки от електроните.
Докато се люлее напред и назад, резултатът от тези трептения е нетен ефект, при който Вселената се разширява бавно, но с ускоряваща се скорост. След като извършиха своите изчисления, те отбелязаха, че подобно обяснение е съвместимо както с наличието на квантова плътност на енергията на вакуума, така и с общата относителност. На всичкото отгоре, тя също е в съответствие с това, което учените наблюдават в нашата Вселена от почти век. Както Unruh го описа:
„Нашите изчисления показаха, че човек би могъл последователно да разглежда [че] Вселената на най-малките везни всъщност се разширява и свива с абсурдно бърза скорост; но това в голям мащаб, поради осредняване над тези мънички везни, физиката няма да забележи тази „квантова пяна“. Той има мъничък остатъчен ефект, като дава ефективна космологична константа (ефект на тъмна енергия). В известен смисъл е като вълни на океана, които пътуват, сякаш океанът е идеално гладък, но наистина знаем, че има този невероятен танц на атомите, които съставляват водата, и вълните са средни при тези колебания, и действат сякаш повърхността беше гладка. “
За разлика от противоречивите теории на Вселената, където различните сили, които я управляват, не могат да бъдат разрешени и трябва да се отменят взаимно, Уанг и неговите колеги представят картина, при която Вселената е постоянно в движение. В този сценарий ефектите на вакуумната енергия всъщност се самоотменя, а също така пораждат разширяване и ускорение, които наблюдаваме през цялото това време.
Макар че може да е твърде рано да се каже, този образ на Вселената, който е силно динамичен (дори и на най-малките скали), може да промени революцията в нашето разбиране за космическото време. Най-малкото тези теоретични констатации със сигурност стимулират дебатите в научната общност, както и експериментите, предназначени да предлагат директни доказателства. И това, както знаем, е единственият начин да развием своето разбиране за това нещо, известно като Вселената.
