Θεωρίες φυσικής

Πολύ κακό για το Τίποτα

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα στην κοσμολογία είναι ο κενός χώρος – αυτό το φαινομενικά χωρικά κενό που προφανώς δεν υπήρχε πριν το Big Bang. Αν και η κλασική φυσική θα έλεγε ότι η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, είναι σίγουρο ότι ο κενός χώρος την δημιουργεί και μάλιστα σε αφθονία, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται.

Share

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα στην κοσμολογία είναι ο κενός χώρος – αυτό το φαινομενικά χωρικά κενό που προφανώς δεν υπήρχε πριν το Big Bang. Αν και η κλασική φυσική θα έλεγε ότι η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, είναι σίγουρο ότι ο κενός χώρος την δημιουργεί και μάλιστα σε αφθονία, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται.

expanding_universe

Η ιστορία του σύμπαντος καθώς διαστέλλεται. Φαίνεται καθαρά η σημερινή ξέφρενη επιτάχυνση της διαστολής

Αυτό το κενό διάστημα είναι κάτι που μπορείτε να κινηθείτε μέσα του, αν και η κίνηση είναι κάτι που μπορείτε να κάνετε μόνο την πάροδο του χρόνου, οπότε θα πρέπει πραγματικά να μιλάμε για τον χωροχρόνο. Δεν υπήρχε χρόνος πριν από την διαστολή του Big Bang, που επίσης δημιούργησε και τον χώρο – και από εκεί τα δύο μεγέθη (χώρος και χρόνος) πάνε πάντα μαζί σαν πακέτο.

Casimir_plates Η δύναμη Casimir

Από τη σκοπιά της κβαντικής φυσικής, το κενό είναι ένα πεδίο μηδενικού σημείου – η θεμελιώδης κατάσταση ενός  κβαντικού μηχανικού φυσικού συστήματος. Οι Αϊνστάιν και Stern ήταν αυτοί που ανέπτυξαν την ιδέα του πεδίου μηδενικής ενέργειας, που περιγράφεται ως η ενέργεια που παραμένει σε ένα σύστημα, ακόμη και στο απόλυτο μηδέν. Η ιδέα αυτή ενισχύθηκε όταν διαπιστώθηκε ότι η ενέργεια του κενού είναι μετρήσιμη σε ένα εργαστήριο, τουλάχιστον σε διαστάσεις νανο-κλίμακας (π.χ., στο φαινόμενο Casimir).

Αριστερά: Το κενό όπως και τα άτομα μπορεί να έχει μία ή περισσότερες διεγερμένες καταστάσεις. Αυτές οι καταστάσεις του κενού θα έχουν πολύ διαφορετικές ενέργειες, αν και θα φαίνονταν απολύτως όμοιες. Η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (δηλαδή η θεμελιώδης κατάσταση) ονομάζεται μερικές φορές αληθές κενό, ονομασία που εκφράζει το γεγονός ότι πρόκειται για σταθερή κατάσταση και ενδεχομένως για αυτήν που αντιστοιχεί στις κενές περιοχές του σύμπαντος, όπως αυτές παρατηρούνται σήμερα: Ένα διεγερμένο κενό αντίθετα αναφέρεται ως ψευδές κενό ή ψευδοκενό. Η τεράστια ενέργεια που σχετίζεται με τις καταστάσεις του ψευδοκενού ασκεί ισχυρή βαρυτική επίδραση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όπως έδειξε ο Αϊνστάιν, η ενέργεια έχει μάζα, και συνεπώς ασκεί και αυτή βαρυτική έλξη, όπως ακριβώς και η κανονική ύλη.

Στο φαινόμενο Casimir δύο μεταλλικές πλάκες χωρίς φορτίο είναι τοποθετημένες σε μια απόσταση της τάξεως του νανόμετρου η μία από την άλλο μέσα σε ένα απόλυτο κενό. Οι κβαντικές διακυμάνσεις του κενού περιορίζονται ανάμεσα στις πλάκες, ενώ δεν υπάρχουν εξωτερικά των δύο πλακών. Αυτό οδηγεί σε μια καθαρή ανισορροπία των δυνάμεων που ωθεί τις πλάκες την μία προς την άλλη – σαν να έλκονται. Αυτό το συναρπαστικό φαινόμενο δεν βοηθά όμως και πολύ στην εξήγηση γιατί το σύμπαν επεκτείνεται.

Ωστόσο, η προσπάθεια να εφαρμόσουμε αυτή την παρατήρηση σε κοσμική κλίμακα δεν λειτουργεί και τόσο καλά. Η κβαντική θεωρία πεδίου προβλέπει ενεργειακή πυκνότητα του μηδενικού σημείου (δηλαδή η ενέργεια που περιέχει το κενό) 120 τάξεις μεγέθους υψηλότερη από ό,τι μπορεί να παρατηρηθεί με την βοήθεια της κοσμολογίας. Το αποτέλεσμα αυτό είναι γνωστό ως καταστροφή του κενού, μια ορολογία που προέρχεται από ένα κλασικό ανάλογο, την καταστροφή του υπεριώδους – το οποίο προέβλεπε ότι η ακτινοβολία του μέλανος σώματος θα πρέπει να πλησιάζει στην άπειρη ενέργεια σε βραχέα μήκη κύματος. Η δε λύση του Μαξ Πλανκ στο εν λόγω πρόβλημα αποτέλεσε τη βάση της κβαντικής φυσικής.

Στην κοσμολογία, η καταστροφή του κενού αναθεωρήθηκε με το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς Λ, διότι, αν η κοσμολογική σταθερά Λ είναι ισοδύναμη με την ενέργεια του κενού του Σύμπαντος, τότε θα πρέπει να είναι η ίδια με την τιμή που προβλέπεται από την κβαντική θεωρία πεδίου, κι όχι να έχει την πολύ μικρότερη τιμή που χρειάζεται για να κάνει τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν να ταιριάζουν με τα παρατηρησιακά δεδομένα.

Σύμφωνα με την ανθρωπική αρχή, που υποστηρίζει την τιμή που μας δίνει η κβαντική θεωρία, η ενέργεια του κενού μεταβάλλεται σε τοπικό επίπεδο, ενώ σε μεγαλύτερη κλίμακα η συνολική ενεργειακή πυκνότητα ταιριάζει με την θεωρία. Όπου «τοπικά επίπεδο» σημαίνει η κλίμακα του παρατηρήσιμου σύμπαντος μας. Έτσι, ζούμε σε μια περιοχή όπου η διακύμανση του κενού είναι ικανή να σχηματίσει γαλαξίες και να οδηγήσει στην εξέλιξη της ευφυούς ζωής. Παρατηρούμε λοιπόν (σύμφωνα πάντα με την ανθρωπική αρχή που ως γνωστόν δεν είναι καν επιστημονική θεωρία), μακριά από την μικρή μας γωνιά του σύμπαντος και αφελώς υποθέτουμε ότι υπάρχει κάτι λανθασμένο στην κβαντική θεωρία. Ενώ στην ουσία δεν υπάρχει, υποστηρίζει η Ανθρωπική Αρχή.

Η θεωρία των χορδών προφανώς δημιουργεί την δυνατότητα να έχουμε επαναλαμβανόμενους κύκλους Big Bang (Μεγάλη Έκρηξη) και Big Crunh (Μεγάλη Σύνθλιψη) οι οποίες έχουν μειώσει την αρχέγονη κοσμολογική σταθερά, κι αυτή την μειωμένη τιμή της παρατηρούμε στο σημερινό σύμπαν.

Από την άλλη πλευρά, κάποιος που δουλεύει με τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν θα μπορούσε να επισημάνει ότι ο Αϊνστάιν βάζει την κοσμολογική σταθερά σε τύπους της Γενικής Σχετικότητας, με σκοπό να αποφύγει ένα σύμπαν που διαστέλλεται (ή συστέλλεται), αν και η διαστολή είναι μια εγγενής ιδιότητα του χωροχρόνου. Μπορείτε να εκτελέσετε τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν σε ένα υποθετικό σύμπαν το οποίο να στερείται οποιαδήποτε μάζας ή ενέργειας και θα δείτε ότι ακόμα και τότε διαστέλλεται.

Έτσι, το κενό είναι ένα μυστήριο και όλη αυτή η τρέχουσα κουβέντα σχετικά με την σκοτεινή ενέργεια συνεπάγεται ότι γνωρίζουμε περισσότερα για αυτήν από ό,τι πραγματικά νομίζουμε. Βέβαια η σκοτεινή ενέργεια είναι ‘σκοτεινή’ (άγνωστη), αλλά φαίνεται λίγο απίθανο να έχει ενέργεια εκτός κι αν πρόκειται για μια ενέργεια που κατά κάποιο τρόπο περιορίζεται από κάποιο άλλο ανιχνεύσιμο φαινόμενο.

Μείνετε stand by, γιατί πιθανόν να έχουμε  περισσότερα στοιχεία για την σκοτεινή ενέργεια προσεχώς.

Πηγή: www.universeToDay.com

Δείτε και τα πιο κατατοπιστικά άρθρα για το κενό

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share