Астрономи у всьому світі трохи запаморочені, тому що вони, здається, не можуть погодитися з тим, як швидко Всесвіт розширюється.
З тих пір, як наш Всесвіт виникла від вибуху крихітної пляминки нескінченної щільності та сили тяжіння, вона повітряна куля, але не з постійною швидкістю - розширення Всесвіту продовжує зростати.
Але те, як швидко воно розширюється, вирішило запаморочливу дискусію. Вимірювання цього коефіцієнта розширення з сусідніх джерел, здається, суперечать тому ж вимірюванню, яке взято з віддалених джерел. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що, по суті, у Всесвіті відбувається щось фанкі, змінюючи швидкість розширення.
І один теоретик запропонував, щоб абсолютно нова частинка виникла і змінила подальшу долю всього нашого космосу.
Хаббл, Хаббл, труд і неприємності
Астрономи розробили кілька розумних способів вимірювання того, що вони називають параметром Хаббла, або постійною Хаббла (позначається для людей із зайнятим життям як H0). Це число представляє швидкість розширення Всесвіту сьогодні.
Один із способів вимірювання швидкості розширення сьогодні - це дивитися на сусідні супернові, вибух газу та пилу, що розпочався від найбільших зірок Всесвіту після їх смерті. Існує особливий вид наднової, який має дуже специфічну яскравість, тому ми можемо порівняти, наскільки яскраво вони виглядають, наскільки яскравими ми знаємо, що вони повинні бути, і обчислити відстань. Тоді, дивлячись на світло від галактики господаря наднової, астрофізики також можуть розрахувати, наскільки швидко вони віддаляються від нас. Складаючи всі шматки разом, ми можемо потім обчислити швидкість розширення Всесвіту.
Але у Всесвіті є більше, ніж вибухи зірок. Існує також щось, що називається космічним мікрохвильовим фоном, що є залишком світла після Великого вибуху, коли наш Всесвіт був просто дитиною, лише 380 000 років. Завдяки таким місіям, як супутник Планка, що покладається на відображення цього залишку випромінювання, вчені мають неймовірно точні карти цього фону, які можна використовувати для отримання дуже точної картини вмісту Всесвіту. І звідти ми можемо взяти ці інгредієнти і запустити годинник вперед за допомогою комп'ютерних моделей і бути в змозі сказати, яким повинен бути швидкість розширення сьогодні - якщо припустити, що основні інгредієнти Всесвіту не змінилися відтоді.
Ці дві оцінки розходяться в достатній мірі, щоб змусити людей трохи переживати, що ми щось пропускаємо.
Погляньте на темну сторону
Можливо, одне або обидва вимірювання є невірними або неповними; Чимало вчених з обох сторін дебатів опускають відповідну кількість грязі у своїх супротивників. Але якщо припустити, що обидва вимірювання є точними, тоді нам потрібно щось інше, щоб пояснити різні вимірювання. Оскільки одне вимірювання походить із самого раннього Всесвіту, а інше - з більш відносно недавнього часу, думка полягає в тому, що, можливо, якийсь новий інгредієнт у Космосі змінює швидкість розширення Всесвіту таким чином, який ми ще не зафіксували в нашій моделей.
І те, що сьогодні домінує над розширенням Всесвіту, - це загадкове явище, яке ми називаємо темною енергією. Це дивовижне ім'я для чогось, що ми в основному не розуміємо. Все, що ми знаємо, - швидкість розширення Всесвіту сьогодні прискорюється, і ми називаємо силу, що рухає цим прискоренням, "темною енергією".
У наших порівняннях від молодого Всесвіту до сучасного Всесвіту фізики припускають, що темна енергія (яка б вона не була) є постійною. Але з цим припущенням ми маємо теперішню незгоду, тому, можливо, темна енергія змінюється.
Я здогадуюсь, що це варто зняти. Припустимо, що темна енергія змінюється.
У вчених криється підозра, що темна енергія має щось спільне з енергією, яка замикається у вакуумі самого простору-часу. Ця енергія надходить з усіх «квантових полів», що пронизують Всесвіт.
У сучасній квантовій фізиці кожен окремий вид частинок прив'язаний до свого певного поля. Ці поля промивають весь простір-час, а іноді шматочки полів місцями дійсно збуджуються, стаючи частинками, які ми знаємо і любимо - як електрони, кварки та нейтрино. Отже всі електрони належать до електронного поля, всі нейтрино належать до нейтринного поля тощо. Взаємодія цих полів є основою для нашого розуміння квантового світу.
І де б ти не знаходився у Всесвіті, ти не можеш уникнути квантових полів. Навіть коли вони недостатньо вібрують у певному місці, щоб зробити частинку, вони все ще там, хитаючись і вібруючи, роблячи свою звичайну квантову річ. Тож ці квантові поля мають фундаментальну кількість енергії, пов'язаної з ними, навіть у самому порожньому вакуумі.
Якщо ми хочемо використовувати екзотичну квантову енергію вакууму простору-часу для пояснення темної енергії, ми негайно стикаємося з проблемами. Коли ми проводимо кілька дуже простих, дуже наївних обчислень, скільки енергії є у вакуумі завдяки всім квантовим полям, ми закінчуємо числом, яке приблизно на 120 порядків сильніше, ніж те, що ми спостерігаємо темною енергією. Уопс.
З іншого боку, коли ми спробуємо деякі більш складні обчислення, ми закінчуємо числом, що дорівнює нулю. Що також не погоджується з вимірюваною кількістю темної енергії. Ще раз.
Отже, незалежно від того, нам справді важко намагатися зрозуміти темну енергію через мову вакуумної енергії простору-часу (енергію, створену цими квантовими полями). Але якщо ці вимірювання швидкості розширення є точними і темна енергія дійсно змінюється, то це може дати нам підказку щодо природи цих квантових полів. Зокрема, якщо темна енергія змінюється, це означає, що самі квантові поля змінилися.
З'являється новий ворог
У недавній роботі, опублікованій в Інтернеті в журналі переддруку arXiv, фізик-теоретик Массімо Чердоніо з Університету Падуї підрахував кількість змін в квантових полях, необхідних для обліку зміни темної енергії.
Якщо є нове квантове поле, яке відповідає за зміну темної енергії, це означає, що у Всесвіті є нова частинка.
І кількість зміни темної енергії, яку обчислив Чердоніо, вимагає певного виду маси частинок, яка виявляється приблизно такою ж масою нового типу частинок, що вже було передбачено: так званий аксіон. Фізики винайшли цю теоретичну частинку, щоб вирішити деякі проблеми з нашим квантовим розумінням сильної ядерної сили.
Ця частинка, імовірно, з'явилася в самому ранньому Всесвіті, але "ховається" на задньому плані, тоді як інші сили і частинки контролювали напрямок Всесвіту. А тепер черга осьосі ...
Незважаючи на це, ми ніколи не виявляли аксіон, але якщо ці розрахунки правильні, то це означає, що аксіон знаходиться там, заповнюючи Всесвіт та його квантове поле. Крім того, цей гіпотетичний аксіон вже робить себе помітним, змінюючи кількість темної енергії в космосі. Тож може статися так, що, хоча ми ніколи не бачили цю частинку в лабораторії, вона вже змінює наш Всесвіт у найбільш великих масштабах.
