Θεωρίες φυσικής Κοσμολογία

Δεν χρειάζεται να τροποποιήσετε τη βαρύτητα για να εξηγήσετε τη σκοτεινή ενέργεια

Written by Δ.Μ.

Ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα παζλ σε όλη την επιστήμη είναι η σκοτεινή ενέργεια. Το Σύμπαν όχι απλώς επεκτείνεται, αλλά ο ρυθμός διαστολής όπως συμπεραίνουμε για τους μακρινούς γαλαξίες επιταχύνεται: η ταχύτητα απομάκρυνσης τους επιταχύνεται από την ορατότητα μας όσο περνάει ο καιρός. Αυτό ήταν μια έκπληξη όταν ανακαλύφθηκε εμπειρικά τη δεκαετία του 1990 και περισσότερο από δύο δεκαετίες αργότερα δεν καταλαβαίνουμε πού προέρχεται αυτή η μυστηριώδης μορφή ενέργειας, η πιο πλούσια σε όλο το Σύμπαν.

Share

Ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα παζλ σε όλη την επιστήμη είναι η σκοτεινή ενέργεια. Το Σύμπαν όχι απλώς επεκτείνεται, αλλά ο ρυθμός διαστολής όπως συμπεραίνουμε για τους μακρινούς γαλαξίες επιταχύνεται: η ταχύτητα απομάκρυνσης τους επιταχύνεται από την ορατότητα μας όσο περνάει ο καιρός. Αυτό ήταν μια έκπληξη όταν ανακαλύφθηκε εμπειρικά τη δεκαετία του 1990 και περισσότερο από δύο δεκαετίες αργότερα δεν καταλαβαίνουμε πού προέρχεται αυτή η μυστηριώδης μορφή ενέργειας, η πιο πλούσια σε όλο το Σύμπαν.

Claudia de Rham

Η θεωρητικός φυσικός Claudia de Rham στο Imperial College διατύπωσε μια θεωρία με ένα γκραβιτόνιο με μάζα για να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Η ίδια κέρδισε το βραβείο Blavatnik των 100.000 δολαρίων.

Παρόλο που μπορείτε να εξηγήσετε τη σκοτεινή ενέργεια στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας, έχει γίνει πρόσφατα η μόδα η προσπάθεια να εξηγηθεί η σκοτεινή ενέργεια με τροποποίηση της βαρύτητας. Πρόσφατα, η εργασία της βραβευμένης Claudia de Rham έχει έρθει στο επίκεντρο , αναγκάζοντας τον Guardian να ρωτήσει: “Έχει λύσει η θεωρία της βαρύτητας της Claudia de Rham  το αδύνατο αίνιγμα της σκοτεινής ενέργειας;” Είναι μια συναρπαστική δυνατότητα, αλλά αυτό απαιτεί ένα κατάλληλο επίπεδο σκεπτικισμού.

Μπορείτε να φανταστείτε το Σύμπαν ως μια κούρσα ανάμεσα σε δύο αντίθετες δυνάμεις: την αρχική κοσμική διαστολή, η οποία προκαλεί την απομάκρυνση των μακρινών αντικειμένων μεταξύ τους, και τη βαρύτητα, η οποία προσπαθεί να τραβήξει τα πάντα προς τα πίσω και να προσπαθήσει να ανασυγκροτήσει το Σύμπαν. Η Μεγάλη Έκρηξη είναι το πυροβόλο όπλο εκκίνησης της διαμάχης και ενώ τα μακρινά αντικείμενα αρχίζουν να υποχωρούν το ένα από το άλλο, η βαρύτητα θα λειτουργεί πάντα σαν επιβράδυνση.

Οι τρεις δυνατότητες που μπορείτε να φανταστείτε είναι παρόμοιες με το μύθο Goldilocks:

  1. είτε η διαστολή του σύμπαντος είναι πολύ γρήγορη για να ξεπεραστεί η βαρύτητα και όλη η βαρύτητα στο Σύμπαν δεν μπορεί να σταματήσει ή να αναστρέψει την διαστολή.

     

  2. ή υπάρχει υπερβολική βαρύτητα αρχικά, ώστε κάποτε η διαστολή θα επιβραδυνθεί, θα σταματήσει και θα αντιστραφεί, οδηγώντας σε μια μεγάλη σύνθλιψη,
  3. ή ο ρυθμός διαστολής και η βαρύτητα βρίσκονται σε τέλεια ισορροπία,   έτσι ώστε ο ρυθμός επέκτασης να τείνει ασυμπτωτικά στο μηδέν, αλλά ποτέ να μην αντιστραφεί.

Δυστυχώς για τη διαίσθησή μας, το Σύμπαν δεν κάνει τίποτα από αυτά.

Flat-Accelerating

Οι τέσσερις πιθανές τύχες του Σύμπαντος

Σίγουρα, φάνηκε ότι ήταν σε απόλυτα ισορροπημένη κατάσταση το σύμπαν για τα πρώτα 7 ή 8 δισεκατομμύρια χρόνια, αλλά στη συνέχεια προέκυψε ένα νέο φαινόμενο: η σκοτεινή ενέργεια. Ενώ οι επιστήμονες δεν έχουν αρκετά στοιχεία για να καταλήξουν σε συμπέρασμα όσον αφορά για το τι είναι υπεύθυνο για την ύπαρξη και την κυριαρχία της σκοτεινής ενέργειας στο Σύμπαν μας, μπορούμε να περιγράψουμε εξαιρετικά για το τι κάνει και πώς επηρεάζει το Σύμπαν μας.

Αν κατευθύνετε το τηλεσκόπιό σας σε ένα μακρινό γαλαξία και μετρήσετε το φως του, από τη στιγμή της δημιουργίας του μέχρι σήμερα, θα διαπιστώσετε ότι το φως που παρατηρήσατε ήταν πάντα μετατοπισμένο προς το ερυθρό (redshift) σε σύγκριση με το φως που εκπέμπεται. Καθώς το φως ταξιδεύει μέσα από το διαστελλόμενο Σύμπαν, ο ιστός αυτού του ίδιου του χώρου τεντώνεται, κάτι που τεντώνει και το μήκος κύματος του φωτός. Μέχρι τη στιγμή που φτάνει στα μάτια μας, το μήκος κύματος του είναι πιο μακρύ, που σημαίνει ότι το χρώμα του είναι πιο κόκκινο και η ενέργειά του είναι χαμηλότερη σε σύγκριση από το πότε εκπέμφθηκε. Ο ίδιος ο μακρινός γαλαξίας, ο οποίος αρχικά εκπέμπει αυτό το φως, ολοένα και φεύγει πιο μακριά όσο περνά ο καιρός.

animation-light-redshift

Αυτό το απλοποιημένο κινούμενο σχέδιο δείχνει πώς αλλάζει το φως προς το ερυθρό (μεγαλύτερο μήκος κύματος) και πώς αλλάζουν οι αποστάσεις μεταξύ των μη δεσμευμένων αντικειμένων

Εάν δεν υπήρχε σκοτεινή ενέργεια, κάθε μεμονωμένος γαλαξίας θα ξεκινούσε με μια συγκεκριμένη ερυθρή μετατόπιση – το φως του θα τεντώνονταν κατά ένα ορισμένο ποσό – και αυτή η ερυθρή μετατόπιση θα μειωνόταν με το χρόνο. Καθώς η βαρύτητα δούλευε με σκοπό να επιβραδύνει το ρυθμό επέκτασης, οπότε οι μακρινοί γαλαξίες φαίνεται να υποχωρούν με προοδευτικά βραδύτερους ρυθμούς και το φως τους φαίνεται όλο και λιγότερο να μετατοπίζεται προς το ερυθρό, καθώς το Σύμπαν συνέχισε να εξελίσσεται.

Στο Σύμπαν μας, όμως, βλέπουμε κάτι άλλο: οι μεμονωμένοι γαλαξίες φαίνεται να επιβραδύνονται κατά τα πρώτα 7,8 δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος και στη συνέχεια η ταχύτητα απομάκρυνσης τους φαίνεται να επιταχύνεται . Με το πέρασμα του χρόνου, οι μακρινοί γαλαξίες φαίνεται ξεχωριστά να απομακρύνονται από εμάς σε ολοένα ταχύτερους ρυθμούς. Ήδη, από τους 2 τρισεκατομμύρια γαλαξίες που περιέχονται στο παρατηρούμενο Σύμπαν μας, το 94% αυτών βρίσκονται για πάντα πέρα ​​από τα όρια που μπορούμε να τα δούμε, ακόμα κι αν φεύγαμε σήμερα και κατευθυνθούμε προς αυτούς με την ταχύτητα του φωτός.

Observable-vs-reachable

Το μέγεθος του ορατού σύμπαντος (κίτρινο), μαζί με το ποσό που μπορούμε να φτάσουμε (ματζέντα). Το όριο του ορατού σύμπαντος είναι 46.1 δισ. έτη φωτός Το μέγεθος του ορατού σύμπαντος (κίτρινο), μαζί με το που μπορούμε να φτάσουμε (ματζέντα) 13.8 δισ. έτη φωτός. Το όριο  του ορατού Σύμπαντος είναι 46,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός, καθώς αυτό είναι το όριο του πόσο μακριά φτάνει το φως σε 13.8 δισ. έτη αν λογαριάσουμε ότι το σύμπαν συγχρόνως διαστέλλεται.

Το μεγάλο ερώτημα, φυσικά, είναι ποιός είναι ο λόγος για την επιτάχυνση της διαστολής. Γιατί το σύμπαν μας έχει σκοτεινή ενέργεια; Γιατί η σκοτεινή ενέργεια έχει μια μη μηδενική τιμή; Και γιατί έχει τις συγκεκριμένες ιδιότητες που έχει;

Δεδομένου ότι η σκοτεινή ενέργεια τη γνωρίσαμε στη δεκαετία του 1990 – από τη μεγάλης κλίμακας δομή του Σύμπαντος, από το φως των μακρινών σουπερνόβων και από τη συνδυασμένη επιπεδότητα του σύμπαντος με την πυκνότητα της μετρούμενης ύλης – οι επιστήμονες έχουν καταλάβει ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι απίστευτα συμβατή με αυτό που ονομάζουμε κοσμολογική σταθερά λ: ένα από τα λίγα πράγματα που μπορούμε να προσθέσουμε στη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν που δεν παραβιάζει τις βασικές προβλέψεις της ίδιας της θεωρίας.

Η ιδέα μιας κοσμολογικής σταθεράς λ είναι απλή: ο ιστός του ίδιου του χώρου έχει μια εγγενή μη μηδενική ποσότητα ενέργειας. 

Αυτή είναι η απλούστερη, πιο συντηρητική πορεία προς την εξήγηση της σκοτεινής ενέργειας: οφείλεται απλώς στις ιδιότητες του ίδιου του χώρου. Αν η σκοτεινή ενέργεια περιγραφεί αληθινά από αυτή την ενέργεια του χώρου μηδενικού σημείου και είναι αδιαίρετη (ταυτίζεται) με την κοσμολογική σταθερά, θα πρέπει:

  • να έχουν μια ειδική πυκνότητα ενέργειας που ποτέ δεν αλλάζει με το χρόνο,
  • να προκαλέσει σε όλα τα μήκη κύματος του φωτός μια μετατόπιση προς το ερυθρό redshift ακριβώς στο ίδιο ποσό,
  • να αναγκάζουν τα αποτελέσματα της επιταχυνόμενης διαστολής  να υπακούουν σε μια συγκεκριμένη σχέση όσον αφορά την μεταβολή τους με την πάροδο του χρόνου,
  • ενώ ακόμα να εξακολουθεί να απαιτεί ότι η βαρύτητα είναι η ίδια ανά πάσα στιγμή, για όλους τους παρατηρητές, σε όλα τα πλαίσια αναφοράς και ότι η ταχύτητα της βαρύτητας είναι ακριβώς ίση με την ταχύτητα του φωτός.

Κάθε στοιχείο αυτού του τελευταίου σημείου έχει παρατηρηθεί ότι είναι αληθινό με εξαιρετική ακρίβεια όπου και αν το δοκιμάσαμε, γι ‘αυτό και οι τροποποιήσεις της βαρύτητας είναι ήδη τόσο αυστηρά προκαθορισμένες.

Ακόμα, η τροποποίηση της βαρύτητας έγινε  της μόδας αργότερα, με πολλούς θεωρητικούς να έχουν απόψεις που παραβιάζουν τους κανόνες της Γενικής Σχετικότητας. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι τροποποιήσεων είτε προσθέτουν ένα επιπλέον πεδίο (βαθμωτό, διανυσματικό ή και τα δύο), ένα επιπλέον σύνολο όρων (όπως μια νέα σύζευξη) ή να παραβιάζουν την ιδέα ότι η βαρύτητα είναι ίδια για όλους πάντοτε. Όλα αυτά είναι ήδη εξαιρετικά περιορισμένα, καθώς η Γενική Σχετικότητα έχει περάσει κάθε δοκιμασία με μεγάλη επιτυχία.

Ωστόσο, ορισμένες από αυτές τις ιδέες ξεθωριάζουν – φεύγουν από τη μόδα. Αυτή η τελευταία επιλογή είναι γνωστή ως η διάσπαση του αναλλοίωτου  Lorentz, πράγμα που σημαίνει να απορρίπτεται η ίδια η αρχή πάνω στην οποία ιδρύθηκε η σχετικότητα. Πρόσφατα, μια νέα γραμμή έρευνας έχει κερδίσει την αναγνώριση, επιχειρώντας να τροποποιήσει τη βαρύτητα λέγοντας ότι το βαρύτονο, που είναι το σωματίδιο  που μεταφέρει τη βαρύτητα, δεν είναι ακριβώς άκαμπτο , αλλά μάλλον έχει μια μικροσκοπική, μη μηδενική μάζα που είναι εγγενής σε αυτό. 

massless-particles-travel-speed-light 

Όλα τα σωματίδια χωρίς μάζα κινούνται με την ταχύτητα φωτός, συμπεριλαμβανομένου του φωτονίου, του γκλουονίου και του βαρυτονίου. Αυτά όλα είναι φορείς δυνάμεων όπως της Η/Μ , της ισχυρής πυρηνικής και της βαρύτητας. Αν τα βαρυτόνια έχουν μια μη μηδενική μάζα, τότε θα ταξιδεύουν με μικρότερη ταχύτητα από του φωτός που προβλέπει η Γενική Σχετικότητα.

Αυτό θα είχε τεράστιες συνέπειες για τη φυσική, αν είναι αλήθεια. Πρώτον, αυτό σημαίνει ότι η βαρύτητα δεν είναι πραγματικά μια δύναμη που διαδίδεται σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά θα πρέπει να εξασθενεί με γρηγορότερο τρόπο από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Δεύτερον, σημαίνει ότι η αλλαγή των συντεταγμένων σας είτε κινούμενοι με σταθερή ταχύτητα είτε με μετακίνηση σε διαφορετική θέση θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνεστε τους νόμους της βαρύτητας.

Αλλά τρίτον, σημαίνει ότι η ταχύτητα της βαρύτητας είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός και αυτό είναι πιο δύσκολο να συμβιβαστεί. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν παρατηρησιακά και πειραματικά όρια και για τα τρία από αυτά που μας λένε ότι αν η βαρύτητα είτε δεν είναι πραγματικά μεγάλης εμβέλειας ή αν η ταχύτητά της δεν είναι ακριβώς ίση με την ταχύτητα του φωτός, πρέπει να είναι πραγματικά, πολύ κοντά.

Αλλά η τέταρτη συνέπεια ενός γκραβιτονίου με μάζα είναι η πιο ενοχλητική από όλες από θεωρητική άποψη: η μάζα του μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου ανάλογα με το ρυθμό επέκτασης.

Κάποια στιγμή, γνωρίζουμε ότι η Γενική Σχετικότητα δεν θα είναι η πλήρης απάντηση σε όλα, καθώς υπάρχουν ερωτήσεις που μπορούμε να βάλουμε και να μην είναι σε θέση να απαντήσει. Ως εκ τούτου, κάποιοι υποστηρίζουν ότι είναι λογικό να διερευνήσουμε για το τι διαφορετικοί τρόποι υπάρχουν για να «σπάσουμε» τη Γενική Σχετικότητα, να επεξεργαστούμε τις συνέπειες και να αναζητούμε αποκλίσεις σε πειράματα. Σε κάποιο επίπεδο, οι επιστήμονες το έχουν κάνει εδώ και 100 χρόνια.

Αλλά οι αποκλίσεις δεν έχουν δει ποτέ το φως της ημέρας. Υπάρχουν ισχυροί περιορισμοί στις εναλλακτικές λύσεις της γενικής σχετικότητας που ενσωματώνουν βαθμίδες ή διανύσματα. Η ταχύτητα της βαρύτητας πρέπει να ισούται με την ταχύτητα του φωτός με ένα όριο τα 3 μέρη προς ένα τετρακις εκατομμύριον, ένα πρόβλημα που απαιτεί περαιτέρω θεωρητικές μελέτες. Και, ίσως πιο απογοητευτικό, αυτές οι προσπάθειες εξήγησης της σκοτεινής ενέργειας σπρώχνουν το μεγάλο ερώτημα – για τον τρόπο υπολογισμού της ενέργειας μηδενικού σημείου του ίδιου του χώρου – εντελώς κάτω από το χαλί, χωρίς να το αντιμετωπίζουν καθόλου.

Είναι απολύτως αληθές ότι η σκοτεινή ενέργεια υπάρχει, ότι τα αποδεικτικά στοιχεία που υποστηρίζουν την ύπαρξή της είναι συντριπτικά και ότι ενώ οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν εξαιρετική δουλειά για να περιγράψουν τη σκοτεινή ενέργεια, δεν καταλαβαίνουμε τι την προκαλεί ή από πού προέρχεται. Θα μπορούσε να ισχύει ότι η παρούσα θεωρία της βαρύτητας, η Γενική Σχετικότητα, δεν είναι απολύτως σωστή και ότι ο συγκεκριμένος τρόπος με τον οποίο δεν είναι σωστός θα είναι τελικά υπεύθυνος για τη σκοτεινή ενέργεια. Σε αυτό επάνω το θέμα οι περισσότεροι θεωρητικοί εργάζονται για μια τροποποιημένη βαρύτητα.  

Σύμφωνα με την De Rham δεν χρειάζεται η έννοια της σκοτεινής ενέργειας δεδομένου ότι η ίδια η βαρύτητα θα ευθύνεται για αυτήν.  Όμως οι προηγούμενες εκδοχές της θεωρίας αυτής προέβλεπαν την στιγμιαία διάσπαση κάθε σωματιδίου στο σύμπαν – ένα απαράδεκτο χαρακτηριστικό που οι μαθηματικοί αναφέρουν ως «φάντασμα». Επίσης, σύμφωνα με την De Rham σε ορισμένες περιπτώσεις η βαρύτητα θα μπορούσε να διαδίδεται ταχύτερα από το φως. Διερευνά επίσης, αν η βαρύτητα, διαδίδεται με διαφορετική ταχύτητα μέσα από ορισμένα υλικά, όπως γίνεται με το φως στα διαφανή υλικά. Αν συμβαίνει κάτι τέτοιο θα υπάρχουν βαρυτικά ουράνια τόξα τα οποία θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από τα τηλεσκόπια βαρυτικών κυμάτων.

Οι παρατηρήσιμες και μετρήσιμες δοκιμασίες όμως συνεχίζουν να συμφωνούν με τη Γενική Σχετικότητα με τη μη τροποποιημένη μορφή τους και η εξήγηση της τιμής της κοσμολογικής σταθεράς παραμένει ένας ανεξήγητος γρίφος σε όλες τις εκδοχές της βαρύτητας, τροποποιημένες και μη τροποποιημένες. Αν θέλετε σκοτεινή ενέργεια, η κοσμολογική σταθερά κάνει τέλεια αυτή τη δουλειά. Μπορείτε να κάνετε τη δουλειά διαφορετικά αν θέλετε, αλλά να είστε ειλικρινείς για το τι κάνετε: προσθέτοντας μια επιπλέον περιττή περιπλοκή για να εξηγήσετε κάτι που είναι ήδη πολύ περίπλοκο από μόνο του.

Πηγή και εδώ

About the author

Δ.Μ.

Share