Θεωρίες φυσικής

Η διαστολή του Σύμπαντος μπορεί να κατανοηθεί και χωρίς την σκοτεινή ενέργεια

Το 2011 το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική πήγε στην έρευνα για το φως που μας έρχεται από σουπερνόβες τύπου 1a. Το εξασθενημένο φως τους έδειξε τελικά ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Το γνωστό πρόβλημα που προκύπτει από αυτές τις παρατηρήσεις είναι ότι αυτή η διαστολή φαίνεται να συμβαίνει με ολοένα ταχύτερους ρυθμούς, από όσο θα μπορούσαν να επιτρέψουν όλες οι γνωστές μορφές της ενέργειας. Ενώ δεν υπάρχει έλλειψη από προτεινόμενες εξηγήσεις για αυτό το ζήτημα – από την παρουσία μιας σκοτεινής ενέργειας έως τις τροποποιημένες θεωρίες της βαρύτητας – είναι λιγότερο συχνές οι ερωτήσεις που θέτουν οι επιστήμονες για την ερμηνεία των ίδιων των δεδομένων των υπερκαινοφανών.

Το 2011 το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική πήγε στην έρευνα για το φως που μας έρχεται από σουπερνόβες τύπου 1a. Το εξασθενημένο φως τους έδειξε τελικά ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Το γνωστό πρόβλημα που προκύπτει από αυτές τις παρατηρήσεις είναι ότι αυτή η διαστολή φαίνεται να συμβαίνει με ολοένα ταχύτερους ρυθμούς, από όσο θα μπορούσαν να επιτρέψουν όλες οι γνωστές μορφές της ενέργειας. Ενώ δεν υπάρχει έλλειψη από προτεινόμενες εξηγήσεις για αυτό το ζήτημα – από την παρουσία μιας σκοτεινής ενέργειας έως τις τροποποιημένες θεωρίες της βαρύτητας – είναι λιγότερο συχνές οι ερωτήσεις που θέτουν οι επιστήμονες για την ερμηνεία των ίδιων των δεδομένων των υπερκαινοφανών.

supernovaelight

Μετά από μια έκρηξη σουπερνόβα το φως του (κίτρινο) διασκορπίζεται, και ανιχνεύεται από μας (μπλε). Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η ενέργεια της ακτινοβολίας αυτής αραιώνεται καθώς ταξιδεύει από το παρελθόν, όπου ήταν πυκνό το σύμπαν στο περιβάλλον της σουπερνόβα έως σε μας τώρα. Το δε μήκος κύματος της ακτινοβολίας αυτής αυξάνεται ως αποτέλεσμα της μείωσης της ενεργειακής του πυκνότητας.

Σε μια μελέτη του ο καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι Arto Annila,  έκανε ακριβώς αυτό. Η βάση της επιχειρηματολογίας του, που δημοσιεύεται σε πρόσφατο τεύχος του Monthly Notices της Βρετανικής Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας, βρίσκεται στον συνεχώς μεταβαλλόμενο τρόπο που ταξιδεύει το φως μέσα από ένα συνεχώς εξελισσόμενο σύμπαν.

"Το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας του Big Bang (λέγεται μοντέλο Lambda-CMD) είναι ένα μαθηματικό μοντέλο, αλλά όχι μια φυσική απεικόνιση της εξέλιξης του σύμπαντος," λέει ο Annila. "Έτσι, το μοντέλο Lambda-CMD ναι μεν δίνει την απόσταση ως συνάρτηση των παραμέτρων του μοντέλου, όπως είναι η κοσμολογική σταθερά, αλλά όχι σε συνάρτηση με τη φυσική διαδικασία, κατά την οποία απελευθερώνονται κβάντα από μια έκρηξη σουπερνόβα διασκορπίζοντας τα στο διαστελλόμενο σύμπαν .

"Όταν έγινε η έκρηξη της σουπερνόβα, η ενέργεια καθώς τα φωτόνια άρχισαν να διασκορπίζονται στο διάστημα, το σύμπαν από τη στιγμή που παρατηρούμε τη λάμψη γίνεται μεγαλύτερο και συνεπώς και πιο αραιό”, υποστηρίζει. "Ως εκ τούτου, η παρατηρούμενη ένταση του φωτός έχει μειωθεί αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης και ευθέως ανάλογα προς την μετατοπισμένη προς το ερυθρό συχνότητα. Λόγω αυτών των δύο παραγόντων, η φωτεινότητα ως προς την ερυθρή μετατόπιση δεν είναι μια ευθεία γραμμή σε ένα λογαριθμικό διάγραμμα, αλλά μια καμπύλη. "

Εξ αιτίας αυτού του γεγονότος, τα δεδομένα των σουπερνόβα δεν σημαίνουν ότι το σύμπαν υποβάλλεται σε μια επιταχυνόμενη διαστολή, υποστηρίζει ο Annila.

Η αρχή του ελάχιστου χρόνου

Όπως εξηγεί ο Annila, όταν μια ακτίνα του φωτός ταξιδεύει από ένα μακρινό αστέρι έως το τηλεσκόπιο του παρατηρητή, ταξιδεύει κατά μήκος της διαδρομής που χρειάζεται το μικρότερο χρονικό διάστημα. Αυτή είναι η γνωστή αρχή του Φερμά ή αρχή του ελάχιστου χρόνου. Είναι σημαντικό να πούμε ότι ο πιο γρήγορος δρόμος δεν είναι πάντα η ευθεία πορεία. Κάποιες αποκλίσεις από την ευθεία πορεία συμβαίνουν όταν το φως διαδίδεται μέσω οπτικών μέσων, διαφόρων πυκνοτήτων ενέργειας, σαν το φως που κάμπτεται – λόγω της διάθλασης – όταν ταξιδεύει μέσα από ένα γυάλινο πρίσμα.

Η αρχή του ελάχιστου χρόνου είναι μια ειδική μορφή της γενικότερης αρχής της ελάχιστης δράσης. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, το φως, όπως και όλες οι μορφές ενέργειας σε κίνηση, πάντα ταξιδεύει στην τροχιά που μεγιστοποιεί την διασπορά της ενέργειας του. Βλέπουμε αυτή την αρχή, όταν το φως ξεκινά να διαδίδεται από μια λάμπα (ή ένα αστέρι) προς όλες τις διαθέσιμες κατευθύνσεις.

Από μαθηματική άποψη, η αρχή της ελάχιστης δράσης έχει δύο διαφορετικές μορφές. Οι φυσικοί σχεδόν πάντα χρησιμοποιούν τη μορφή που περιλαμβάνει το λεγόμενο Λαγκρατζιανό ολοκλήρωμα, όμως ο Annila εξηγεί ότι αυτή η μορφή μπορεί να καθορίσει μόνο διαδρομές μέσα σε ένα στατικό περιβάλλον. Δεδομένου ότι το διαστελλόμενο σύμπαν είναι ένα εξελισσόμενο σύστημα, αυτός προτείνει ότι η πρωτότυπη, αλλά λιγότερο δημοφιλής μορφή, η οποία δημιουργήθηκε από τον Γάλλο  μαθηματικό Maupertuis, μπορεί να καθορίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια την πορεία του φωτός από τα μακρινά σουπερνόβα.

Χρησιμοποιώντας τη μορφή του Maupertuis της αρχής της ελάχιστης δράσης, ο Annila έχει υπολογίσει ότι η φωτεινότητα του φωτός από τα σούπερ-νόβα τύπου 1a, μετά από ένα ταξίδι πολλών εκατομμυρίων ετών φωτός προς τη Γη, συμφωνεί πολύ καλά με τις παρατηρήσεις της γνωστής ποσότητας της ενέργειας μέσα στο σύμπαν, και φυσικά δεν απαιτείται η σκοτεινή ενέργεια ή οποιαδήποτε άλλη πρόσθετη κινητήρια δύναμη.

supernovaelight2 Στη σχέση μεταξύ της απόστασης και της ερυθρής μετατόπισης των σουπερ-νόβα τύπου 1a, τα δεδομένα (σημεία) συμφωνούν με την εξίσωση με την οποία το φως διαδίδεται μέσα από το διαστελλόμενο σύμπαν στην τροχιά του ελάχιστου χρόνου (συνεχής γραμμή)

«Είναι φυσικό εμείς οι άνθρωποι να λαχταρούμε για προβλέψεις, επειδή οι προσδοκίες συμβάλλουν στην επιβίωσή μας», λέει. "Ωστόσο, κάποιες φυσικές διεργασίες, όπως σωστά έχει διατυπώσει ο Maupertuis, είναι εγγενώς μη υπολογίσιμες. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχει κανένας πραγματικός λόγος να τις κάνουμε, όμως η επιθυμία μας να κάνουμε ακριβείς προβλέψεις είναι που μας οδήγησε να αποφεύγουμε στους υπολογισμούς τη μορφή του Maupertuis”, ακόμη και αν η αρχή του ελάχιστου χρόνου είναι ένας ακριβής υπολογισμός των διαδικασιών που εξαρτώνται από την διαδρομή. Η ενοποιητική αρχή χρησιμεύει για να εξορθολογίσει τα διάφορα προβλήματα ακριβείας, όπως η μεγάλης κλίμακας ομοιογένεια και η επιπεδότητα του σύμπαντος. "

Η τροχιά του ελάχιστου χρόνου

Πώς ακριβώς όμως το φως ταξιδεύει στην τροχιά του ελάχιστου χρόνου;

Ενώ το φως ταξιδεύει, η πυκνότητα του διαστελλόμενου σύμπαντος μειώνεται. Όταν το φως περάσει από μια περιοχή με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σε μια χαμηλότερη πυκνότητα, η αρχή του Maupertuis της ελάχιστης δράσης λέει ότι το φως θα προσαρμοστεί μειώνοντας την ορμή του. Ως εκ τούτου, λόγω της διατήρησης των κβάντα, το μήκος κύματος του φωτονίου θα αυξηθεί και η συχνότητά του θα μειωθεί. Έτσι, η ένταση της ακτινοβολίας του φωτός θα μειωθεί κατά την διαδρομή του από το σουπερνόβα – όπου έχουμε υψηλή πυκνότητα – προς το σημερινό σύμπαν με τη χαμηλή πυκνότητα. Επίσης, όταν το φως περνάει από μια περιοχή με τοπική ενεργειακή πυκνότητα, όπως κοντά από ένα άστρο, τότε η ταχύτητα του φωτός θα αλλάξει και η κατεύθυνση της διάδοσης ομοίως θα αλλάξει. Όλες αυτές οι αλλαγές στο φως τελικά προκύπτουν από τις αλλαγές στην ευρύτερη ενεργειακή πυκνότητα.

Αν αυτός είναι ο τρόπος που ταξιδεύει το φως από ένα σούπερ-νόβα, στη συνέχεια αυτό μας λέει κάτι σημαντικό σχετικά με το γιατί το σύμπαν επεκτείνεται, εξηγεί ο Annila. Όταν ένα αστέρι εκρήγνυται και η μάζα του καίγεται μετατρεπόμενη σε ακτινοβολία, τότε η αρχή διατήρησης απαιτεί ο αριθμός των κβάντα να παραμένει ο ίδιος, είτε είναι με τη μορφή της ύλης είτε ακτινοβολίας. Για να διατηρηθεί η συνολική ισορροπία μεταξύ της ενέργειας της δεσμευμένης στην ύλη και της ενέργειας σε φωτόνια, τα σουπερνόβα, κατά μέσο όρο, απομακρύνονται το ένα από το άλλο με μια μέση ταχύτητα που πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός. Εάν η σκοτεινή ενέργεια ή οποιαδήποτε άλλη συμπληρωματική μορφή ενέργειας συμμετείχε, θα παραβίαζε τη διατήρηση της ενέργειας.

Η ανάλυση αυτή δεν ισχύει μόνο για σουπερνόβα, αλλά και σε άλλες "δεσμευμένες μορφές" ενέργειας, όπως στα αστέρια, τα πάλσαρ, τις μαύρες τρύπες και άλλα αντικείμενα που μετατρέπουν την ύλη σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία – τη χαμηλότερη μορφή ενέργειας – μέσω της καύσης. Αυτές οι αμετάκλητες μεταμορφώσεις από υψηλής πυκνότητας ενέργειας σε χαμηλή πυκνότητα ενέργειας είναι αυτό που αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται.

 supernovaelight3 Αν η διαστολή του σύμπαντος οφείλεται σε μηχανισμούς που "διαλύουν την ύλη σε φως”, τότε η διαστολή του Σύμπαντος αναμένεται να ακολουθήσει μια σιγμοειδή καμπύλη

Ενώ η ιδέα της διαδρομής του φωτός του ελάχιστου χρόνου, φαίνεται να είναι σε θέση να εξηγήσει τα δεδομένα των σουπερνόβα σε συμφωνία με τις υπόλοιπες παρατηρήσεις μας για το σύμπαν, ο Annila σημειώνει ότι θα ήταν ακόμα πιο ελκυστική η θεωρία του, εάν αυτή θα μπορούσε να λύσει κάποια προβλήματα την ίδια στιγμή. Και μπορεί – δείχνει ο Annila ότι, όταν ο βαρυτικός εστιασμός αναλύεται κάτω από το πρίσμα της ιδέας αυτής, δεν απαιτεί ούτε την σκοτεινή ύλη για να εξηγήσει τα αποτελέσματα.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι τα τεράστια αντικείμενα, όπως οι γαλαξίες, αναγκάζουν το φως που περνά δίπλα τους να κάμπτεται επειδή η βαρύτητα στρεβλώνει τον χωροχρόνο γύρω τους, και οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει ότι αυτό ακριβώς συμβαίνει. Το πρόβλημα είναι ότι η κάμψη φαίνεται να είναι μεγαλύτερη από ό,τι μπορεί να εξηγήσει η γνωστή βαρυονική (φωτεινή) ύλη,  με αποτέλεσμα οι ερευνητές να διερευνούν την πιθανότητα να υπάρχει μια πολλαπλάσια σκοτεινή (μη φωτεινή) ύλη.

Ωστόσο, όταν χρησιμοποιεί ο Annila την αρχή Maupertuis της ελάχιστης δράσης για την ανάλυση του κατά πόσο ένας γαλαξίας μιας ορισμένης μάζας θα πρέπει να εκτρέψει το φως που διέρχεται δίπλα του, υπολογίζει ότι η ολική παραμόρφωση είναι περίπου πέντε φορές μεγαλύτερη από την τιμή που ορίζεται από τη γενική σχετικότητα. Με άλλα λόγια, οι παρατηρούμενες αποκλίσεις απαιτούν μικρότερη μάζα από όσο προηγουμένως νομίζαμε, και αυτό μπορεί να εξηγηθεί πλήρως από τις γνωστές μορφές ύλης στους γαλαξίες, κοι όχι από την πρόσθετη σκοτεινή ύλη.

"Η γενική σχετικότητα από την άποψη των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν είναι ένα μαθηματικό μοντέλο του σύμπαντος, ενώ εμείς χρειαζόμαστε τον φυσικό υπολογισμό για τις εξελίξεις στις σύμπαν, όπως δίνονται από την αρχή της ελάχιστης δράσης του Maupertuis, τονίζει.

Ο Annila πρόσθεσε ότι οι έννοιες αυτές μπορούν να εξεταστούν για να διαπιστωθεί το κατά πόσον είναι ο σωστός τρόπος για να αναλυθούν οι σουπερνόβες και να ερμηνεύσουν την διαστολή του σύμπαντος.

“Η αρχή του ελάχιστου χρόνου χωρίς κατανάλωση ενέργειας αξιώνεται από τη φύση της να είναι ένας καθολικός και απαραβίαστος νόμος”, αναφέρει. "Ως εκ τούτου, η δοκιμή της δεν θα βασιστεί μόνο στις σουπερνόβα εκρήξεις, αλλά σε κάθε άλλο δεδομένο. Η συνέπεια και η καθολικότητα της αρχής μπορεί να ελεγχθεί, για παράδειγμα, από δεδομένα για την μετάπτωση του περιηλίου και την γαλαξιακή περιστροφή. Επίσης, τα τελικά αποτελέσματα του Gravity Probe Β για το γεωδαιτικό φαινόμενο (η έκταση της παραμόρφωσης που προκαλεί η μάζα της Γης στο γύρω διάστημα)  μου φαίνονται αρκετά καλά για να δοκιμαστεί αυτή η φυσική αρχή, ενώ τα δεδομένα του αποκαλούμενου «frame dragging» (το πόσο «παρασέρνει» ή «συστρέφει» ο πλανήτης μας τον γύρω χωροχρόνο κατά την περιστροφή του) είναι έκθετες σε μεγάλες αβεβαιότητες, καθώς και από απρόβλεπτες, αλλά λαμπρές πειραματικές δοκιμασίες. "

Πηγή: PhysOrg

About the author

physics4u

Απάντηση